近日，西南理论物理中心，色花堂-私密内容轻松观看，随时随地享受专属体验 张瑜瑜教授和胡自翔教授课题组，基于光与物质强耦合的量子Rabi光腔系统，新颖地观测到与超导体中迈斯纳效应类似的光子流行为，即稳定的边缘光子流与光子涡旋，其鲁棒特性与量子霍尔效应中的边缘电流类似。这一研究揭示了人工磁场与超辐射相变的新机制，为在量子光学平台模拟和调控多体量子现象提供了新视角。相关成果以“Meissner-Like Currents of Photons in Anomalous Superradiant Phases”为题发表在国际物理顶级期刊《Physical Review Letters》。

图1（a）量子Rabi光腔构建的zigzag链结构,上（下）三角腔中人工合成交错磁通；（b）N=8系统无阻挫下“迈斯纳超辐射相”(MSR)的光子数分布与光子涡旋对;(c)N=10阻挫下MSR相的光子数分布与光子涡旋对；(d)N=10系统奇（偶）涡旋超辐射相的光子数分布与光子涡旋。

迈斯纳效应是表征超导体在磁场中的一种显著现象，表现为表面电流的产生，使材料内部磁场被完全抵消。在低维量子系统中，如何探索类似迈斯纳效应的物理机制，并研究磁场与多体相互作用之间的关联，一直是长期存在的挑战。

该研究团队设计了一种基于光与原子强耦合的量子Rabi光腔，构建了zigzag光腔链结构，通过引入交错的赝磁通量，在上（下）三角光腔中形成稳定的光子涡旋对，这种光子涡旋成对出现，且在光腔体内相互抵消，光子仅沿着边缘光腔流动，形成基态下稳定的手性边缘光子流，其行为与超导体中的表面电流高度相似，被称为“迈斯纳超辐射相”（Meissner Superradiant Phase）。该相的形成机制源于N个光腔在新超辐射相变时发生对称性破缺，出现光子数分布不均匀，但奇偶光腔中的光子数具有对称性，使得光子涡旋成对出现并相互抵消。研究发现，具有几何阻挫的系统（如N=10）会形成更多的反平行的光子涡旋对。在不同系统尺寸下，几何阻挫还导致相变过程表现出非常规临界指数，揭示了不同迈斯纳超辐射相变的普适性规律。

研究表明，交错磁通的调控可模拟超导体中类似的迈斯纳相-涡旋相的相变。在新超辐射相变中，通过调节交错磁通量，观测到在奇数或偶数腔体中形成涡旋光子流，称为奇涡旋超辐射相（OVSR）和偶涡旋超辐射相（EVSR）。当增强光子最近邻光腔间的跃迁强度，系统会进入铁磁超辐射相（FSR），此时光子流完全消失，同时奇偶光腔中的光子数呈现差异，形成类似亚铁磁的光子数分布。

这种新出现的边缘光子流和反平行涡旋对，即使不具备拓扑性质，仍表现出类似于量子霍尔效应的鲁棒特性。本研究不仅拓展了对光-物质相互作用系统在人工磁场调控下丰富新奇量子相变和新量子态的研究，也为将来在光量子平台模拟多体物理中新奇物态和量子霍尔类似效应提供新思路。论文第一作者为研究生李林俊和黄鹏飞，通讯作者为胡自翔和张瑜瑜。研究得到了国家自然科学基金（项目编号：12475013、12474140、12347101）的资助。

相关论文链接：//link.aps.org/doi/10.1103/qj5x-t71k