Сверхизлучательный фазовый переход — что это?

Сверхизлучательный фазовый переход (superradiant phase transition (SRPT)) — это квантовый переход между двумя фазами в системе, где множество двухуровневых атомов (или аналогичных квантовых объектов) взаимодействует с одной модой электромагнитного поля, как правило, внутри резонатора. Такое поведение описывается моделью Дика, предложенной Робертом Диком в 1954 году. В этой модели предполагается, что атомы могут коллективно взаимодействовать с полем, обмениваясь возбуждением через фотонную моду.

Когда сила взаимодействия между атомами и электромагнитным полем достаточно мала, система находится в нормальной фазе. В этом состоянии все атомы находятся в основном состоянии, а в поле нет фотонов. Однако при достижении критического значения константы связи система претерпевает фазовый переход в новое состояние — сверхизлучательную фазу. В этом состоянии возникает макроскопически значительное число фотонов в поле, а атомы переходят в когерентное возбуждение. Это возбуждение коллективное: атомы как бы «договариваются» между собой и начинают действовать синхронно, как единый осциллятор, что резко усиливает интенсивность излучения.

Такой переход является квантовым, то есть обусловлен не температурой, а квантовыми флуктуациями и изменениями параметров гамильтониана. В частности, фазовый переход происходит из-за изменения силы связи между частицами системы и полем. В нормальной фазе сохраняется симметрия (например, зеркальная симметрия по числу фотонов и возбуждений), но в сверхизлучательной фазе эта симметрия нарушается спонтанно — возникает одно из возможных когерентных состояний, и система выбирает его, как это происходит, например, при спонтанной намагниченности в ферромагнетике.

Долгое время существование сверхизлучательного фазового перехода оставалось теоретическим. Причиной тому были ограничения, наложенные законами сохранения, в частности, сохранения энергии и числа частиц. В некоторых формулировках квантовой электродинамики было показано, что реальный переход невозможен без дополнительных предпосылок.

Однако с развитием экспериментов с ультрахолодными атомами, ионными ловушками и сверхпроводниковыми кубитами стало возможно реализовать физические системы, где аналог такого перехода действительно наблюдается. В частности, удалось продемонстрировать спонтанное возникновение фотонного поля и коллективную когерентность атомов, что является характерной чертой сверхизлучательной фазы.

Этот тип перехода привлек интерес не только как красивая квантовая теория, но и как возможная платформа для квантовых технологий: лазеров нового типа, высокоточных сенсоров и симуляции сложных квантовых систем.