理论物理所等各向异性量子Rabi模型量子相变研究获进展

近年来，中国科学院理论物理研究所研究员陈晓松及合作者系统研究了各向异性量子Rabi模型的量子相变问题，通过解析和数值计算模型的临界指数和标度函数，在有限自由度系统的相变中建立了普适性概念，并论述了其与热力学极限下传统普适性概念的等价性。

量子Rabi模型是描述光和物质相互作用的简单模型。其场景为一个二能级原子与单模玻色场的线性耦合系统，是量子光学、量子信息、凝聚态物理及各种人工量子系统中的基本模型。1936年，诺贝尔奖得主I.I.Rabi最早提了Rabi模型的半经典版本。1963年，E.T.Jaynes和F.W.Cummings提出旋转波近似下的量子版本Rabi模型，即Jaynes-Cummings(J-C)模型，该模型在量子光学发展早期扮演了极其重要的角色。21世纪以来，Rabi模型的研究焕发了新的活力。该模型在各种实验系统（如cavity QED、超导量子电路、离子阱、自旋-轨道耦合量子点等）的广泛运用，为研究者们实现超强耦合，甚至是深强耦合提供了帮助；同时，更广阔的实验参数区域带来的各种新物理现象，也对理论研究者们提出了新的挑战——在量子Rabi模型中发现量子相变就是实例。传统的相变理论认为，相变必须在热力学极限下才能发生。在量子Rabi模型这种有限自由度系统中也能发生相变，很大程度上拓展了人们对相变本质的认识。但普适性作为相变中的核心概念，在量子Rabi模型相变的研究中并未被触及。

陈晓松团队认为，能否在有限自由度系统中建立普适性概念是本领域研究进一步发展的关键所在。据此，该团队成功在解析计算等方面取得了突破，获得了各向异性Rabi模型的相图、标度函数、临界指数；以上述成果为基础，普适性的概念在有限自由度系统中得到了建立；进一步将结论推广到任意原子数的Dicke模型中，并与热力学极限下的传统普适性概念进行了等价性论述。同时，该研究中也首次获得了J-C模型连续相变的不连续标度函数。以上研究成果将对进一步理解量子Rabi模型及超强耦合相关的量子现象、量子相变和相变普适性概念等提供思路。

该研究在与北京计算科学研究中心、兰州大学等单位科研人员的合作下完成，是相变与临界现象和量子物理、凝聚态物理领域交叉合作的研究成果。相关研究成果发表在Physical Review Letters上，并被推选为亮点文章。该研究得到了国家自然科学基金、欧洲FET项目等的资助。