在量子光學(xué)中，多體相互作用下會(huì)產(chǎn)生非常豐富的物理現(xiàn)象。當(dāng)N個(gè)兩能級(jí)原子與單模長(zhǎng)光場(chǎng)相互作用時(shí)，光子交換可以導(dǎo)致系綜的相干作用形成所謂的迪克（Dicke）超輻射。迪克模型重要的特征在于，偶極子與量子化真空光子場(chǎng)的耦合率與偶極子數(shù)密度的平方根成正比。當(dāng)耦合率達(dá)到強(qiáng)耦合的臨界值時(shí)，原子系綜的基態(tài)將發(fā)生超輻射相變。迪克模型在原子核物理、量子混沌以及量子耗散等研究領(lǐng)域有重要的應(yīng)用。

在凝聚態(tài)物質(zhì)中，多體相互作用也是各種新穎量子物態(tài)的溫床。一些關(guān)聯(lián)電子體系，因?yàn)槎囿w相互作用，將出現(xiàn)龐磁阻、超導(dǎo)、巡游磁性、多鐵等豐富的物理現(xiàn)象。原則上，迪克模型里的光學(xué)效應(yīng)理論上能夠推廣至任何可以波色量子化的基本激發(fā)態(tài)，對(duì)應(yīng)到凝聚態(tài)物質(zhì)中的集體玻色模，可以是晶格振動(dòng)能量量子——聲子或自旋相互作用能量量子——磁振子等。借助迪克模型，可以幫助我們理解凝聚態(tài)物質(zhì)的多種相變。比較常見(jiàn)的就是楊-泰勒效應(yīng)，能量簡(jiǎn)并的贗自旋系綜可以協(xié)同耦合到聲子模式上，導(dǎo)致晶格畸變，可以類(lèi)比于迪克模型中超輻射相變中的靜電磁場(chǎng)。關(guān)于楊-泰勒效應(yīng)的這一解釋尚處于唯象理論階段，同一固體體系中兩種物態(tài)之間的協(xié)同耦合長(zhǎng)久以來(lái)并沒(méi)有得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)。其挑戰(zhàn)和難點(diǎn)在于同一種固體中必須存在兩種不同的物態(tài)，并且要能精確控制其中一種物態(tài)的密度以驗(yàn)證其耦合是否為協(xié)同耦合。

最近，上海大學(xué)曹世勛團(tuán)隊(duì)利用光學(xué)浮區(qū)法成功生長(zhǎng)了一系列的高質(zhì)量Er_xY_1?xFeO₃(x= 0, 0.25, 0.5, 0.75, 1)單晶樣品，通過(guò)利用太赫茲光譜系統(tǒng)研究了其自旋波模式激發(fā)、相干控制以及相變動(dòng)力學(xué)。美國(guó)Rice大學(xué)Junichiro Kono教授團(tuán)隊(duì)在此基礎(chǔ)上與上海大學(xué)團(tuán)隊(duì)合作，系統(tǒng)研究了強(qiáng)磁場(chǎng)、深低溫下Er_xY_1?xFeO₃的太赫茲波吸收譜。他們發(fā)現(xiàn)該體系中稀土鉺離子（Er³⁺）順磁自旋系綜與鐵離子（Fe³⁺）磁振子間的強(qiáng)耦合效應(yīng)，出現(xiàn)真空拉比振蕩特性，這與標(biāo)準(zhǔn)的N原子腔量子電動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)互相對(duì)應(yīng)，相關(guān)結(jié)果滿(mǎn)足迪克標(biāo)度模型。根據(jù)材料中磁性交換耦合常數(shù)，將能幫助理解3d-4f磁耦合導(dǎo)致的新奇效應(yīng)，包括磁相變、磁電效應(yīng)、電控磁振子、非線(xiàn)性自旋激發(fā)、重費(fèi)米子等。該工作表明，在太赫茲自旋電子學(xué)研究中，可以利用量子光學(xué)中的概念和工具，去理解、控制和預(yù)言凝聚態(tài)物質(zhì)中的新物相，從而在量子光學(xué)和凝聚態(tài)物質(zhì)之間構(gòu)筑了一道溝通的橋梁。

圖1. (a) ErFeO₃的晶體結(jié)構(gòu)和磁結(jié)構(gòu)；(b)真空拉比振蕩滿(mǎn)足迪克標(biāo)度模型;(c) (d)Er³⁺離子的電子順磁共振示意圖。

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