近日，西南理論物理中心、重慶大學物理學院張瑜瑜教授和胡自翔教授課題組，基于光與物質強耦合的量子Rabi光腔系統，觀測到與超導體中邁斯納效應類似的光子流行為，即穩定的邊緣光子流與光子渦旋，其魯棒特性與量子霍爾效應中的邊緣電流類似。這一研究揭示了人工磁場與超輻射相變的新機制，為在量子光學平臺模擬和調控多體量子現象提供了新視角。相關成果以“Meissner-Like Currents of Photons in Anomalous Superradiant Phases”為題發表在國際物理頂級期刊《Physical Review Letters》。                               

圖1（a）量子Rabi光腔構建的zigzag鏈結構,上（下）三角腔中人工合成交錯磁通；（b）N=8系統無阻挫下“邁斯納超輻射相”(MSR)的光子數分布與光子渦旋對;(c)N=10阻挫下MSR相的光子數分布與光子渦旋對；(d)N=10系統奇（偶）渦旋超輻射相的光子數分布與光子渦旋。

邁斯納效應是表征超導體在磁場中的一種顯著現象，表現為表面電流的產生，使材料內部磁場被完全抵消。在低維量子系統中，如何探索類似邁斯納效應的物理機制，并研究磁場與多體相互作用之間的關聯，一直是長期存在的挑戰。

該研究團隊在量子Rabi光腔系統中設計了一種zigzag光腔鏈，通過引入交錯贗磁通，成功在上下三角光腔內形成穩定的光子渦旋對。這些成對出現的光子渦旋在光腔體內相互抵消，導致光子僅沿邊緣流動，形成具有手性的邊緣光子流，該行為與超導體的邁斯納效應高度相似，因此被稱為“邁斯納超輻射相”。該相的形成源于多光腔超輻射相變中的對稱性破缺，其光子數分布雖不均勻，但奇偶光腔間存在對稱性，促使光子渦旋成對產生與抵消。研究還發現，在具有幾何阻挫的系統（如N=10）中，會形成更多反平行光子渦旋對，且幾何阻挫導致不同尺寸系統在相變過程中展現出非常規臨界指數，揭示了邁斯納超輻射相變的普適性規律。

研究表明，交錯磁通的調控可模擬超導體中類似的邁斯納相-渦旋相的相變。在新超輻射相變中，通過調節交錯磁通量，觀測到在奇數或偶數腔體中形成渦旋光子流，稱為奇渦旋超輻射相（OVSR）和偶渦旋超輻射相（EVSR）。當增強光子最近鄰光腔間的躍遷強度，系統會進入鐵磁超輻射相（FSR），此時光子流完全消失，同時奇偶光腔中的光子數呈現差異，形成類似亞鐵磁的光子數分布。

這種新出現的邊緣光子流和反平行渦旋對，即使不具備拓撲性質，仍表現出類似于量子霍爾效應的魯棒特性。本研究不僅拓展了對光-物質相互作用系統在人工磁場調控下豐富新奇量子相變和新量子態的研究，也為將來在光量子平臺模擬多體物理中新奇物態和量子霍爾類似效應提供新思路。論文第一作者為研究生李林俊和黃鵬飛，通訊作者為胡自翔和張瑜瑜。研究得到了國家自然科學基金（項目編號：12475013、12474140、12347101）的資助。

相關論文鏈接：https://link.aps.org/doi/10.1103/qj5x-t71k

來源：物理學院

作者：張瑜瑜