微腔中非平衡相变的临界行为

Using the quantum optics system to simulate and understand the equilibrium quantum many-particle systems is an important task in modern physics. More importantly, it provides a new platform to explore nonequilibrium many-body effects. That not only has important significance in fundamental science, but also puts forward a new method of quantum manipulation. Based on current experimental development and the applicant’s previous achievement, our project is devoted to studying the nonequilibrium phase transformation of microscopic cavity systems. The specific consideration is divided into three parts as follows. The first is to investigate the effect of atom-atom collisions on the critical behavior of superradiant phase transition. The second is to study the quantum correlations between atoms when their interactions are mediated by driven-dissipative cavity field. The last is to predict exotic nonequilibrium quantum states induced by driven-dissipative process. During the time of the project, about four papers are expected to be published in Physcial Review or other journals, whose impact factors are beyond 3.0.

利用量子光学系统来模拟和研究量子多体系统是现代物理研究的重要领域。此类系统不仅可以成功地模拟多种平衡态的多体相变，更重要的是为探索非平衡多体效应提供了新的研究平台。这些探索研究具有重要的理论意义，而且能为量子调控提供新的技术手段。根据当前实验方面的进展和申请人已取得的研究成果，本申请项目将主要研究微腔系统非平衡相变的临界行为。具体分为：(1)揭示微腔与超冷原子耦合系统中原子间相互碰撞对超辐射相变临界行为的影响。(2)研究驱动-耗散光场对微腔辅助光晶格系统关联函数的影响。(3)研究空间非均匀分布的驱动-耗散强度对光子输运的影响，以及由无序导致的非平衡相变。预期在《Physical Review》系列或者影响因子大于3.0的刊物上发表4篇左右的学术论文。

近年来驱动耗散系统成为重要的研究领域。在此类系统中存在许多平衡态系统所不具有的物理现象。我们重点研究了非线性效应对此类系统的影响。此时系统中的平均光子数较少，量子涨落将主导系统的行为。我们发展了新的理论方案来求解系统的稳态。通过在粒子数表象建立Keldysh配分函数，我们发现传统的稳定点方程会转换成一组算符方程--Keldysh-Heisenberg 方程。利用此方法我们发现考虑量子涨落效应后双稳态现象消失了。这种方法将来可以推广到研究更复杂的系统，例如驱动耗散的强关联系统。此外我们还研究了二次型光力耦合作用的主动被动腔系统。通过计算系统的能谱，我们发现非线性相互作用会导致意外点分裂。我们还研究了此系统对探测光的透射率。我们发现透射率可以从放大调制为吸收。这些研究结果在量子存储，量子信息以及量子光学器件等领域有潜在的应用价值。