量子力學(xué)的領(lǐng)域充滿了挑戰(zhàn)經(jīng)典直覺的現(xiàn)象，這些現(xiàn)象常常以微觀實(shí)體之間復(fù)雜相互作用所涌現(xiàn)的集體行為展現(xiàn)出來。在這些現(xiàn)象中，量子相變尤為突出，它是多體系統(tǒng)基態(tài)在量子漲落而非熱擾動(dòng)驅(qū)動(dòng)下發(fā)生的劇烈轉(zhuǎn)變。一個(gè)特別引人入勝且長(zhǎng)期以來備受期待的量子相變是超輻射相變（Superradiant Phase Transition, SRPT），它由狄克模型預(yù)測(cè)，該模型描述了大量二能級(jí)原子與單模光子場(chǎng)的協(xié)同相互作用。

幾十年來，由于基本理論的限制，SRPT 在其最初的光子形式中仍然難以捉摸。然而，最近一項(xiàng)突破性的研究，題為“磁振子狄克超輻射相變觀測(cè)”，報(bào)告了首次在固態(tài)系統(tǒng)中直接實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了這種奇特的量子態(tài)，利用了磁振子作為介導(dǎo)場(chǎng)。這一成就不僅驗(yàn)證了半個(gè)世紀(jì)前的理論預(yù)測(cè)，而且為凝聚態(tài)物理學(xué)的基礎(chǔ)研究開辟了令人興奮的新途徑，并具有徹底改變量子技術(shù)的巨大潛力。

狄克模型是量子光學(xué)的一個(gè)基石，它提出當(dāng)大量二能級(jí)原子與單模電磁場(chǎng)的耦合強(qiáng)度超過臨界值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)生相變，進(jìn)入超輻射態(tài)。在這種狀態(tài)下，即使在沒有外部驅(qū)動(dòng)和零溫度的情況下，原子極化和光子場(chǎng)都會(huì)獲得宏觀期望值。這種自發(fā)出現(xiàn)的相干性是 SRPT 的標(biāo)志。然而，由于“No-Go定理”的限制，在傳統(tǒng)的光原子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)變一直受阻。“No-Go定理”源于描述光和物質(zhì)之間電偶極相互作用的最小耦合哈密頓量中不可避免地存在的抗磁項(xiàng)。該項(xiàng)對(duì)能量有正貢獻(xiàn)，并阻止了 SRPT 在熱平衡中發(fā)生所需的完整光子模式軟化。

為了規(guī)避這一基本限制，研究人員探索了可以滿足 SRPT 條件的替代平臺(tái)。一個(gè)有希望的方向在于凝聚態(tài)物理學(xué)領(lǐng)域，特別是在磁性材料中，其中磁振子可以發(fā)揮類似于光子的作用。與光原子系統(tǒng)中的電偶極相互作用不同，產(chǎn)生磁振子的自旋之間的交換相互作用缺乏有問題的抗磁項(xiàng)。這種缺失為實(shí)現(xiàn)狄克模型的磁振子類似物以及潛在地觀測(cè)到磁振子 SRPT 鋪平了道路。理論研究確實(shí)預(yù)測(cè)，在某些表現(xiàn)出不同自旋子系統(tǒng)之間超強(qiáng)耦合的磁性材料中可能會(huì)發(fā)生這種轉(zhuǎn)變。

最近報(bào)告磁振子狄克超輻射相變觀測(cè)的研究重點(diǎn)在于 ErFeO?（鐵酸鉺）。在這種晶體中，研究人員將 Fe3? 磁振子模式識(shí)別為在狄克模型中扮演單模光子場(chǎng)的角色，而 Er3? 自旋則充當(dāng)大量二能級(jí)系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn) SRPT 的關(guān)鍵是這兩個(gè)不同的磁性子系統(tǒng)之間的超強(qiáng)耦合，這種耦合由 Fe3?-Er3? 交換相互作用促進(jìn)，而這種相互作用恰好缺乏阻礙光子 SRPT 的抗磁項(xiàng)。

為了探測(cè)該系統(tǒng)，研究人員采用了先進(jìn)的超寬帶太赫茲和吉赫茲磁譜技術(shù)。這些方法使他們能夠研究自旋激發(fā)的能譜隨外部磁場(chǎng)和溫度的變化。實(shí)驗(yàn)在極端條件下進(jìn)行，將 ErFeO? 晶體冷卻至低溫并暴露于強(qiáng)磁場(chǎng)中。研究小組仔細(xì)分析了兩種雜化自旋-磁振子模式的行為，這兩種模式是由 Fe3? 磁振子和 Er3? 自旋之間的強(qiáng)相互作用產(chǎn)生的。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)揭示了磁振子 SRPT 的令人信服的特征。在一個(gè)臨界點(diǎn)，研究人員觀察到這些雜化模式的能量出現(xiàn)了明顯的扭結(jié)和顯著的軟化。這些光譜特征與磁振子狄克模型中進(jìn)入超輻射相的理論預(yù)測(cè)完全吻合。扭結(jié)表明系統(tǒng)基態(tài)發(fā)生了變化，而軟化則暗示著涉及磁振子和自旋的宏觀相干態(tài)的出現(xiàn)。這一觀察結(jié)果有力地證明了該系統(tǒng)確實(shí)發(fā)生了相變，進(jìn)入了磁振子超輻射態(tài)。

這項(xiàng)成就的重要性怎么強(qiáng)調(diào)都不為過。這是首次在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中直接觀測(cè)到難以捉摸的超輻射相變。更重要的是，在固態(tài)系統(tǒng)中使用磁振子實(shí)現(xiàn)這種現(xiàn)象克服了與傳統(tǒng)光原子系統(tǒng)相關(guān)的基本限制，為探索狄克模型預(yù)測(cè)的豐富物理學(xué)開辟了新的途徑。這一突破驗(yàn)證了數(shù)十年的理論工作，并標(biāo)志著我們對(duì)量子相變和光-物質(zhì)相互作用理解的重大里程碑。

除了其基礎(chǔ)科學(xué)意義外，磁振子 SRPT 的觀測(cè)還為未來量子技術(shù)的發(fā)展帶來了有希望的啟示。在相變的量子臨界點(diǎn)附近運(yùn)行的系統(tǒng)通常表現(xiàn)出對(duì)外部擾動(dòng)的增強(qiáng)的敏感性，并且可以容納奇異的量子態(tài)，例如量子噪聲顯著降低的壓縮態(tài)。這項(xiàng)研究的研究人員認(rèn)為，磁振子超輻射相態(tài)可能成為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子壓縮的平臺(tái)，這可以顯著提高量子傳感器和量子計(jì)算設(shè)備的性能。操縱和控制固態(tài)系統(tǒng)中的磁振子的能力為構(gòu)建穩(wěn)健且可擴(kuò)展的量子技術(shù)提供了一條途徑。