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    近日，理學(xué)院曹世勛教授科研團隊在量子相變研究領(lǐng)域取得最新國際合作研究成果，相關(guān)研究論文“Observation of the Magnonic Dicke Superradiant Phase Transition”發(fā)表在國際頂級期刊《Science Advances》上。該研究由曹世勛教授（共同通訊作者）聯(lián)合美國萊斯大學(xué)Junichiro Kono教授（共同通訊作者）國際合作研究團隊共同完成，上海大學(xué)博士后馬小璇為共同第一作者，博士生楊婉婷為共同作者。這是繼2018年曹世勛教授團隊在《Science》發(fā)表國際合作論文后關(guān)于量子相變的又一重要研究成果。

　　量子相變是一種在極低溫度下發(fā)生的相變，與傳統(tǒng)的熱力學(xué)相變不同，它是由量子漲落而非熱擾動驅(qū)動的。超輻射相變（SRPT）作為量子相變的一種，長期以來一直是物理學(xué)家關(guān)注的焦點。然而，由于實驗條件的限制，這一現(xiàn)象在實際材料中的觀測一直面臨著巨大挑戰(zhàn)。

　　在這項研究中，國際科研團隊圍繞上海大學(xué)課題組的高質(zhì)量反鐵磁稀土正鐵氧體ErFeO3單晶材料，通過太赫茲和吉赫茲磁光譜學(xué)實驗，成功觀察到了SRPT的關(guān)鍵特征——兩個自旋-磁子雜化模式在臨界點的拐點和軟化。這一發(fā)現(xiàn)不僅證實了SRPT在熱平衡條件下的存在，也為理解量子多體系統(tǒng)中的相互作用提供了新的視角。研究發(fā)現(xiàn)，在ErFeO3中，F(xiàn)e3+磁子模式和Er3+自旋之間的強耦合，使得系統(tǒng)在特定條件下能夠模擬Dicke模型中的超輻射相變。這種耦合避免了傳統(tǒng)光子系統(tǒng)中由于磁光項導(dǎo)致的相變阻礙，從而使得SRPT得以實現(xiàn)。

圖1. 光譜學(xué)證據(jù)揭示ErFeO3中的磁子SRPT現(xiàn)象

　　為了深入理解實驗現(xiàn)象，研究團隊構(gòu)建了擴展的Dicke模型，將Er3+單離子各向異性納入考慮。該模型不僅準(zhǔn)確再現(xiàn)了實驗中觀察到的模式頻率，還為揭示SRPT的本質(zhì)提供了理論支撐。在實驗中，研究人員通過改變外部磁場，精確調(diào)控了系統(tǒng)的能量參數(shù)，從而實現(xiàn)了對SRPT的精確探測。實驗數(shù)據(jù)與理論模型的高度吻合，驗證了模型的正確性和適用性。這一研究成果為量子技術(shù)的發(fā)展開辟了新的道路。SRPT所伴隨的大規(guī)模糾纏和壓縮現(xiàn)象，有望為量子計算和量子通信提供新的實現(xiàn)途徑。此外，該研究還為凝聚態(tài)物理中的相變理論注入了新的活力，為探索新型量子材料和現(xiàn)象提供理論和實驗基礎(chǔ)。