量子光学是一个复杂的领域，理论物理学家和实验物理学家合作取得突破，以解释亚原子层面的现象。

最近，因斯布鲁克大学的 Farokh Mivehvar 利用量子光学中最全面的模型 Dicke 模型，研究了量子场中两组原子的相互作用。这项新颖的研究使得人们能够观察到超辐射态，为高性能超辐射激光器铺平了道路。

迪克模型与量子光学的演进

超辐射的概念最早由迪克于1954年提出，描述了一大群原子集体发射光子。迪克的模型涉及一个由N个两能级原子组成的系统，所有原子最初都处于激发态。当一个原子自发发射光子时，它会触发级联效应，导致所有N个原子衰变并同时发射光子。

迪克提出，通过将这些原子限制在波长的一小部分内，发射的光子将会完全相同，从而产生相长干涉，并产生一个振幅与N成正比、能量密度与N2成正比的电磁场。这种行为与N个孤立原子的独立衰变形成对比，在N个孤立原子的衰变中，光发射是不相干的，能量密度与N成线性比例。

1973年，Hepp和Lieb发现了一种独特的稳态超辐射形式，其中原子集合与腔体的量子化模式相互作用。他们以Dicke模型为框架，研究了这种相互作用的热平衡特性。

他们揭示了两种状态之间的连续相变：正常状态和超辐射状态。在正常相中，光子数量（表示为 n）不会随着原子数量（N）的增加而增加；而在超辐射相中，n 与 N 成正比。

腔量子材料简介

量子材料是由多种原子组成的复杂量子多体系统。它们的低能行为通常涉及多个自由度（例如电荷、自旋、轨道和晶格）的复杂相互作用。

在探索修改量子材料的涌现特性时，出现了一种替代方法，即用限制在腔内的量子力学光子模式代替经典激光场。

在传统的腔量子电动力学（QED）中，重点关注一个或多个发射体与腔内定义明确的场模式之间的相互作用。当发射体的单偶极跃迁与腔体强耦合（其频率为ω）时，这种相互作用尤为显著。这种情况可以用一个简单的两能级模型有效地描述，其中光与物质的相互作用可以用单个耦合强度g来量化。

腔量子材料领域仍处于早期阶段，吸引了来自不同领域的研究人员，包括量子材料科学（尤其是二维系统）和量子多体物理学。腔量子材料有望成为光子平台，并可集成到基于光子的量子技术中。

量子材料固有的强电子相互作用可以促进双光子量子门的有效光子相互作用，并能够产生非经典光态。

超辐射和量子电动力学

利用腔辅助双光子拉曼跃迁，Dicke 模型已得到有效实现，其中玻色子原子和费米子原子均处于低原子动量态或超精细态。研究人员也热衷于实现 Dicke 型模型，并探索波导 QED 配置和腔量子材料中的超辐射。

单个发射器的衰减速率受其周围辐射环境的影响，这是腔量子电动力学 (Candidates QED) 的关键概念。腔量子电动力学 (Candidates QED) 通过使用高反射率镜面来限制单个光学模式，为发射器创建一个局部储存器，从而增强其在腔内的衰减。

在“波导 QED”的背景下，当原子与传播光学模式交互时，一维（1D）浴的概念就变得相关。

环境也会影响一组激发态辐射体的集体衰变。迪克超辐射就是这种现象的例证：一组完全反转的辐射体会同步衰变，从而发射出短暂而强烈的光子脉冲。

前沿发现：超辐射激光器的非传统迪克模型

受量子气体腔QED最新进展的启发，因斯布鲁克大学理论物理学家Farokh Mivehvar提出了一种新的Dicke模型变体。这种方法被称为“非标准Dicke模型”，涉及将两个独立的自旋1/2原子集合耦合到一个腔模中，每个原子的耦合强度各不相同。

随后，研究集中于耦合强度相反的特定场景——相当于幺正变换下耦合强度相等。这种配置导致了各种有趣的现象，主要归因于每个系综内总自旋的守恒。

半经典方法揭示了多稳态稳态的存在，特别是双稳态超辐射区。在这个双稳态区域内，存在±xFo-SR态，其中两个原子系综的总自旋指向相同的x方向，无论是正向还是负向?；构鄄斓搅似渌湎?，其特征是两个系综的总自旋指向相反的x方向。

Mivehvar 还确定了系统多稳态中的初始状态，随后的非平衡动力学偏离了稳定状态。系统并非向恒定状态演化，而是转变为以振动路径为特征的非稳态。这种现象与竞争不动点的存在有关。完整的量子力学计算也验证了 ±xFo-SR 和 ±xFi-SR 状态的共存。

当两个耦合强度λ 1和λ 2不同时，哈密顿量不再幺正地映射到标准狄克模型。因此，系统会表现出更广泛的稳态和非稳态现象。这是由于每个系综中总自旋的守恒，从而促使人们探索超越对称狄克子空间限制的物理学。

在一般情况下，当λ 1不等于±λ 2 时，由于不同对称扇区相互作用，系统的动态变得更加复杂和多样化。这种复杂性可能导致不同的临界行为，并导致系统内出现多临界点。

理解这些多临界点对于加深我们对量子腔模型中复杂超辐射发射现象的理解至关重要。所提出的模型可以在最先进的实验中轻松实现，为在腔QED实验装置中研究各种非平衡磁序和动力学现象提供了新的途径。

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