超辐射量子相变的研究可追溯到20世纪70年代，是凝聚态物理中的重要研究课题。近年来，随着实验物理技术的发展，量子相变的研究不仅局限在理论领域，在实验应用领域变得更加突出。自最初实现量子相变的理论模型以来，量子相变的理论模型几乎保持不变，需要超强耦合来打破系统的对称性。课题组成员，我校物理科学与工程学院、上海市特殊人工微结构材料与技术重点实验室朱成杰研究员，通过与美国德州农工大学（Texas A&M University）Girish S. Agarwal教授的国际学术交流合作，经过深入的理论探索，在超辐射量子相变的研究上取得突破性进展。通过引入量子驱动，提出利用压缩光在Tavis-Cummings腔量子电动力学系统中实现一级和二级量子相变的新方案。

图1: 量子驱动的Tavis-Cummings腔量子电动力学系统。

羊亚平教授领导团队，利用光学参量放大过程，使腔场处于压缩态（如图1所示），从而破坏了旋转波近似下Tavis-Cummings模型固有的U(1) 对称性，并且可以在非超强耦合的情况下实现从正常相（粒子都处于基态，平均光子数为零）到超辐射相（部分粒子处于激发态，平均光子数不为零）的转变。如图2(a) 所示，通过计算系统的量子扰动，该系统被划分为三个不同的区域，分别对应正常相（区域I）、超辐射相（区域II），以及正常相与超辐射相共存的相（区域III）。对于不同的耦合强度，改变光参量放大的非线性增益系数（即泵浦光的强度），一级相变（I到III）和二级相变（I到II）都可以在该模型中实现。此类量子相变过程不仅可以通过探测腔内的平均光子数来表征，还可以通过观测相空间的Wigner函数分布来区分（如图2(b) - (c) 所示）。值得注意的是，在一级相变处，腔内平均光子数的增长速率远大于二级相变，这一光子数的突变行为可用于实现高灵敏、高精度的弱信号测量。

图2: (a) 腔内光子数涨落。区域I、II、III分别表示正常相、超辐射相和正常相与超辐射相共存的相。(b)、（c）不同耦合强度下腔内光子数随光参量放大的非线性增益系数的关系，以及各相对应的Wigner函数分布。

相关研究成果"Squeezed light induced symmetry breaking superradiant phase transition"于2020年2月22日发表在国际物理学顶级期刊《Physical Review Letters》[Phys. Rev. Lett. 124, 073602 (2020)]上。同济大学是论文的第一单位，论文第一和第二作者分别是同济大学物理科学与工程学院、高等研究院朱成杰研究员及其博士研究生平磊磊，物理科学与工程学院羊亚平教授和德州农工大学G. S. Agarwal教授是该论文的共同通讯作者。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金，上海市科委项目支持。

论文链接: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.073602