1973年，物理学家在理论上预测了一种称为“超辐射相变”（superradiant phase transition, SRPT）的现象。这种现象是由一类特殊的光与物质相互作用引起的，产生了所谓的迪克协同作用（Dicke cooperativity）。我们在高温（正相）下发现物质中存在着由粒子热运动引起的非相干（随机）电磁极化（或电流），从而获得了非相干电磁波（热辐射）。当温度降低时，我们往往能发现热辐射的强度也就会降低。相比之下，当出现SRPT现象时，在低于临界温度的温度下（在超辐射相中），我们可以发现物质中自发出现一个相干静态的（即时间上非振荡的）电磁场以及相干静态的电磁极化（或称相干持续电流）。由于光与物质的超强耦合，这种超辐射相得以稳定。遗憾的是，目前还没有在实验上发现过SRPT现象。 然而，这种现象并不仅限于光与物质的相互作用中；也可以出现在物质与物质强耦合的系统中。2018年，我们在《科学（Science）》杂志上发表了一篇论文。在该研究中，我们通过实验观察到一种被称为铒铁氧体（ErFeO3）的化合物中发生了“磁振子”迪克协同作用。我们从该体系的哈密顿量（体系能量）中取出光的部分，并用铁（Fe）原子上的自旋波（磁振子）对其进行模拟。在这种情况下，铒（Er）自旋的电子顺磁共振即是SRPT历程中原子的电磁跃迁。 以我们所观察到的磁振子迪克协同作用作为磁振子SRPT证据的做法多少存在着争议，因此我们最近就ErFeO3体系的结果进行了理论分析。我们的最新研究证明铁磁振子与铒自旋之间的超强耦合是产生ErFeO3相变的原因，而铒与铒的相互作用也是部分原因。 我们的发现标志着磁振子SRPT首次在物质系统中得到证实，如此就为我们对光子SRPT的理解铺平了道路，并且让我们有了实现这一现象的可能。光子SRPT这一重大事件标志着量子光学、热力学与固态物理学实现了相互之间的关联。其有望被应用于抗噪声量子技术以及直接由热产生相干光（例如激光）的应用，从而得以帮助我们节省大量的能源。 Motoaki Bamba, Xinwei Li, Nicolas Marquez Peraca, and Junichiro Kono "Magnonic Superradiant Phase Transition" Communications Physics 5, 3 (2022) https://doi.org/10.1038/s42005-021-00785-z

1. 寻找量子光学、
热力学与凝聚态物理学之间的桥梁
1973年，物理学理论在迪克(Dicke)模型中预测了
超辐射相变(SRPT)
SRPT建立了热力学、量子光学与凝聚态物理学之间的桥梁，
并能引起新的、具有技术相关性的现象
然而，还没有发现基于光的SRPT的实验证据
我们能在物质与物质相互
作用中找到SRPT吗？
铁酸铒(ErFeO3)
中发现的磁振子SRPT 光线
铁中的自旋波
(磁振子)
原子中的电磁跃迁
铒原子中的电
子顺磁共振
实验研究发现了
迪克协同性
（SRPT的初步证据）
0.2
0.4
0.6
理论研究证实了SRPT
的磁振子版本
与以下应用相关的深刻见解：
即将到来的量子技术，
如量子计算和量子传感
热能直接转化为
相干光
2018 2020
物质(电荷、自旋等)
与光的高强度相互作用
非相干(随机)电磁极化 和 非相干电
磁波(热辐射)是通过物质中粒子的热
运动获得的
静态相干电磁极化和 s静态相干电磁
场在热平衡下自发出现
在高温下
在低温下
Magnonic Superradiant Phase Transition
Bamba et al. (2022) | Communications Physics | DOI: 10.1038/s42005-021-00785-z
Motoaki Bamba
bamba.motoaki.y13@kyoto-u.jp