近日，理学院曹世勋教授科研团队在量子相变研究领域取得最新国际合作研究成果，相关研究论文“Observation of the Magnonic Dicke Superradiant Phase Transition”发表在国际顶级期刊《Science Advances》上。该研究由曹世勋教授（共同通讯作者）联合美国莱斯大学Junichiro Kono教授（共同通讯作者）国际合作研究团队共同完成，上海大学博士后马小璇为共同第一作者，博士生杨婉婷为共同作者。这是继2018年曹世勋教授团队在《Science》发表国际合作论文后关于量子相变的又一重要研究成果。
量子相变是一种在极低温度下发生的相变，与传统的热力学相变不同，它是由量子涨落而非热扰动驱动的。超辐射相变（SRPT）作为量子相变的一种，长期以来一直是物理学家关注的焦点。然而，由于实验条件的限制，这一现象在实际材料中的观测一直面临着巨大挑战。
在这项研究中，国际科研团队围绕上海大学课题组的高质量反铁磁稀土正铁氧体ErFeO3单晶材料，通过太赫兹和吉赫兹磁光谱学实验，成功观察到了SRPT的关键特征——两个自旋-磁子杂化模式在临界点的拐点和软化。这一发现不仅证实了SRPT在热平衡条件下的存在，也为理解量子多体系统中的相互作用提供了新的视角。研究发现，在ErFeO3中，Fe3+磁子模式和Er3+自旋之间的强耦合，使得系统在特定条件下能够模拟Dicke模型中的超辐射相变。这种耦合避免了传统光子系统中由于磁光项导致的相变阻碍，从而使得SRPT得以实现。
图1. 光谱学证据揭示ErFeO3中的磁子SRPT现象
为了深入理解实验现象，研究团队构建了扩展的Dicke模型，将Er3+单离子各向异性纳入考虑。该模型不仅准确再现了实验中观察到的模式频率，还为揭示SRPT的本质提供了理论支撑。在实验中，研究人员通过改变外部磁场，精确调控了系统的能量参数，从而实现了对SRPT的精确探测。实验数据与理论模型的高度吻合，验证了模型的正确性和适用性。这一研究成果为量子技术的发展开辟了新的道路。SRPT所伴随的大规模纠缠和压缩现象，有望为量子计算和量子通信提供新的实现途径。此外，该研究还为凝聚态物理中的相变理论注入了新的活力，为探索新型量子材料和现象提供理论和实验基础。
（本工作得到国家自然科学基金面上项目的支持：No.12374116）
相关论文链接：
2025年04月，Science Advances, 11, eadt1691 (2025). https://doi.org/10.1126/sciadv.adt1691
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