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在量子光学中，多体相互作用下会产生非常丰富的物理现象。当N个两能级原子与单模长光场相互作用时，光子交换可以导致系综的相干作用形成所谓的迪克（Dicke）超辐射。迪克模型重要的特征在于，偶极子与量子化真空光子场的耦合率与偶极子数密度的平方根成正比。当耦合率达到强耦合的临界值时，原子系综的基态将发生超辐射相变。迪克模型在原子核物理、量子混沌以及量子耗散等研究领域有重要的应用。
在凝聚态物质中，多体相互作用也是各种新颖量子物态的温床。一些关联电子体系，因为多体相互作用，将出现庞磁阻、超导、巡游磁性、多铁等丰富的物理现象。原则上，迪克模型里的光学效应理论上能够推广至任何可以波色量子化的基本激发态，对应到凝聚态物质中的集体玻色模，可以是晶格振动能量量子——声子或自旋相互作用能量量子——磁振子等。借助迪克模型，可以帮助我们理解凝聚态物质的多种相变。比较常见的就是杨-泰勒效应，能量简并的赝自旋系综可以协同耦合到声子模式上，导致晶格畸变，可以类比于迪克模型中超辐射相变中的静电磁场。关于杨-泰勒效应的这一解释尚处于唯象理论阶段，同一固体体系中两种物态之间的协同耦合长久以来并没有得到实验证实。其挑战和难点在于同一种固体中必须存在两种不同的物态，并且要能精确控制其中一种物态的密度以验证其耦合是否为协同耦合。
最近，上海大学曹世勋团队利用光学浮区法成功生长了一系列的高质量ErxY1−xFeO3(x= 0, 0.25, 0.5, 0.75, 1)单晶样品，通过利用太赫兹光谱系统研究了其自旋波模式激发、相干控制以及相变动力学。美国Rice大学Junichiro Kono教授团队在此基础上与上海大学团队合作，系统研究了强磁场、深低温下ErxY1−xFeO3的太赫兹波吸收谱。他们发现该体系中稀土铒离子（Er3+）顺磁自旋系综与铁离子（Fe3+）磁振子间的强耦合效应，出现真空拉比振荡特性，这与标准的N原子腔量子电动力学实验互相对应，相关结果满足迪克标度模型。根据材料中磁性交换耦合常数，将能帮助理解3d-4f磁耦合导致的新奇效应，包括磁相变、磁电效应、电控磁振子、非线性自旋激发、重费米子等。该工作表明，在太赫兹自旋电子学研究中，可以利用量子光学中的概念和工具，去理解、控制和预言凝聚态物质中的新物相，从而在量子光学和凝聚态物质之间构筑了一道沟通的桥梁。 图1. (a) ErFeO3的晶体结构和磁结构；(b)真空拉比振荡满足迪克标度模型;(c) (d)Er3+离子的电子顺磁共振示意图。 *本文仅代表作者本人观点，不代表Science科学杂志及AAAS美国科学促进会观点。 |
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