空腔中相互作用量子简并气体的超辐射

Superradiance is an interference radiation state of atoms and photons. It is a new thriving research field combining quantum many body physics and atomic optics together. This field not only has great influence on physical applications such as high quality laser, quantum information and so on, it is also extremely meaningful for the theoretical study of nonequilibrium many body physics and quantum solid. As superradiance first being discovered in a cavity system in 2010, researches on this system are booming every year. This is a field of profound value for research. In our project, we will look into the superradiance of interacting quantum gases in a cavity. Through the study, we will understand how cavity-mediate long range interactions and interactions between atoms lead to all kinds of novel low energy quantum matters, such as superradiant Mott insulators and superradaiant quantum magnets. We will also try to understand how driving forces and dissipations have their influence on the stability, thermalization, excitation spectrum and critical behavior of this quantum open system.

超辐射是原子和光子相干辐射的状态，是一个将量子多体物理与传统的原子光学相结合的新兴领域。该领域不但对于高性能激光，量子通信等领域有巨大的应用价值，还对于理解非平衡态多体物理和量子晶体有重要的理论意义。随着2010年空腔中超辐射状态的首次制备，低温量子简并气体中的超辐射研究日益升温，具有极大的研究价值。在该项目中，我们将通过对于空腔中相互作用量子简并气体超辐射的研究，理解腔光导致的长程相互作用与原子间短程相互作用共同作用引起的新奇低能量子物质状态，如莫特绝缘体，量子磁性与超辐射的相互竞争和影响；理解非平衡的驱动耗散对于开放系统稳定性，热化，激发谱和临界行为的影响。

本项目立足于研究空腔中强相互作用量子气体这一光学和凝聚态多体物理结合的新方向，致力于理解非平衡态下的低能量子物质结构。在我们开展的一系列研究中，我们主要研究了强相互作用下超流-莫特绝缘体相变受到衍生晶格影响会产生怎样的特别物理，我们研究了耗散对于强相互作用下的光子费米子混合气体中费米子准粒子谱的影响，以及开放体系中可以写出的简化非厄米哈密顿量形式，开放系统中的电导，耗散下的动力学。..我们发现由于衍生晶格的原因，超流-模特绝缘体相变会变成一个类似于水的气液相变的一级相变。这是一种零温下因量子涨落引起的类气液相变。我们发现对于与有耗散光子气体强相互作用下的费米子并非在所有情况下都可以有准粒子图像，费米子能谱可能会因为耗散在谱上被破坏在哈密顿量中存在的宇称对称性。同时我们更进一步通过研究可以简化为非厄米哈密顿量的体系中的动力学和拓扑性质如何受到耗散的影响，我们给出了物理可观测量霍尔电导与非厄米拓扑不变量之间的关系，是非厄米体系中的TKNN公式；我们还建立了非厄米线性响应理论，预言了在耗散影响下动量空间中粒子占据数和动量分布扩散之间的等价关系，解释了衰变动力学变慢的现象与准粒子谱中的反常指数之间的关系，成功地解释了实验数据同时预言了一大类实验。..综上所诉，我们通过对空腔，非平衡体系中相互作用效应的研究，发现了稳态下衍生晶格与莫特相之间存在的一级相变，发现了单粒子谱受耗散的非平庸影响，建立了非平衡动力学和探测拓扑态的物理量与耗散之间的关系。