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各向异性量子Rabi模型量子相变及其普适性研究取得新进展
2017-12-27  【 】【打印】【关闭

  连续相变普适性概念的建立是二十世纪相变理论最为核心和迷人的成果之一。近来,中国科学院理论物理研究所陈晓松研究员及合作者系统研究了各向异性量子Rabi模型的量子相变问题。他们通过解析和数值计算模型的临界指数和标度函数,在这样一个有限自由度系统的相变中建立了普适性的概念,并论述了其与热力学极限下传统普适性概念的等价性。相关结果已发表于Phys. Rev. Lett. 119, 220601 (2017)上,并被编辑部推荐为亮点文章(Editors' Suggestion)。 

  量子Rabi模型是描述光和物质相互作用的简单模型。其场景为一个二能级原子与单模玻色场的线性耦合系统。它是量子光学,量子信息,凝聚态物理及各种人工量子系统中的基本模型。历史上,1936年诺贝尔奖得主I. I. Rabi最早提了Rabi模型的半经典版本。1963年,E. T. Jaynes和F. W. Cummings提出旋转波近似下的量子版本Rabi模型,即Jaynes-Cummings (J-C) 模型。它在量子光学发展早期扮演了极其重要的作用。 

  新世纪以来,Rabi模型的研究焕发了新的活力。这是因为该模型近来在各种实验系统(例如:cavity QED,超导量子电路,离子阱,自旋-轨道耦合量子点等)被广泛实现。这使得人们有能力实现所谓的超强耦合,甚至深强耦合。更广阔的实验参数区域带来了各种新的物理现象,也为理论工作者提出了新的挑战。理论上在量子Rabi模型中发现的量子相变就是其中很重要的例子。传统的相变理论认为,相变必须在热力学极限下才能发生。因此,在量子Rabi模型这样有限自由度系统中也能发生相变,很大程度上拓展了人们对相变本质的认识。然而另一方面,普适性作为相变中的核心概念,在量子Rabi模型相变的研究中并未被触及。 

  本工作的作者们意识到,在这样的有限自由度系统中,是否可以建立普适性概念是本领域研究进一步发展的关键。他们通过合作研究,成功在解析计算等方面取得突破,获得了各向异性Rabi模型的相图、标度函数、临界指数。以此为基础,普适性的概念在这样的有限自由度系统得以建立。他们进一步将结论推广到任意原子数的Dicke模型中,并与热力学极限下的传统普适性概念等价起来。同时,他们也第一次获得了J-C模型连续相变的不连续标度函数。这些研究结果将对进一步理解量子Rabi模型及超强耦合相关的量子现象、理解量子相变和相变普适性概念等具有新的启发。 

  该工作由北京计算科学研究中心刘卯鑫博士后、Stefano Chesi研究员、应祖建副教授(访问学者)和林海青研究员,中国科学院理论物理研究所陈晓松研究员和兰州大学罗洪刚教授共同完成。陈晓松研究员多年来一直从事统计物理相关课题的研究,特别是相变与临界现象的研究。刘卯鑫曾就读于中国科学院理论物理研究所,在陈晓松研究员指导下进行相变与临界现象方面的研究并获得博士学位。这一工作是相变与临界现象和量子物理、凝聚态物理领域交叉合作的研究成果。 

  该工作得到国家自然科学基金(11604009, 11574025, 11325417, 11674139, 1121403), National Scholastic Athletics Foundation (U1530401)和FET (618083) 资助。 

文章地址:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.220601#fulltext    

       图:各向异性量子Rabi模型相图,取自PRL编辑推荐亮点文章配图。 

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