在量子模拟的前沿领域，如何利用可控量子系统探索物质的新奇物态，一直是物理学家追求的目标。近日，我院张学锋教授课题组在几何阻挫量子系统与腔量子电动力学的交叉领域取得突破性进展。他们通过理论研究发现，当三角晶格里德堡原子阵列与光学腔强耦合时，系统会涌现出一种前所未有的量子基态——“超辐射时钟相”。该量子相完全取代了只有经典光场时理论预言的脆弱有序相，揭示了量子化光场诱导的长程相互作用对几何阻挫系统的深刻影响。这一重要理论成果于2026年2月18日在线发表于物理学顶级期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）上，并被美国知名物理类科普网站Phys.org报道。论文的第一作者为研究生梁颖，张学锋教授为通讯作者。

在量子多体物理中，几何阻挫（例如三角格子中反铁磁相互作用无法同时满足）常常导致系统基态存在大量简并，处于“无序”的海洋，微弱的量子涨落能从这片海洋中挑选出一个特定的有序图案，这种现象被称为“无序致有序”，是量子涌现现象的经典范例。近年来，里德堡原子阵列因其精确可控性，成为模拟此类阻挫系统的理想量子模拟器。与此同时，光学腔能够提供光子介导的无限长程相互作用，为操控和发现新物态提供了全新维度。

图1：三角晶格里德堡阵列与光学腔耦合的卡通示意图

本研究创造性地将这两个前沿方向结合，探索了放置于光学腔中的三角形里德堡原子阵列。理论计算与大规模量子蒙特卡洛模拟表明，一旦引入量子化的光场（腔模），整个系统的基态性质就被彻底改变。原本在经典光场下可能出现的、由“无序致有序”机制产生的、具有六重对称性的“钟”序相（clock phase）变得不稳定。取而代之的，是一种全新的“超辐射时钟相”。该物态同时承载着两种序：一是超辐射序（对应U(1)规范对称性破缺，即光与原子处于宏观相干态），二是空间密度波序（对应于平移对称性破缺，里德堡原子呈现周期性密度分布），形成了独特的“两序共存”现象。

图2：与经典光场耦合（上图）和与量子光场耦合（下图）的阻挫里德堡原子阵列示意图与基态相图。

研究团队通过精细的数值计算，绘制了该系统的完整基态相图。结果揭示，“超辐射时钟相”的稳定存在，源于有效理论中不同阶次时钟序项（三重与六重）的竞争。特别地，在半填充条件下，由腔内光子密度所诱导的三重时钟序项占据了主导，从而催生并稳固了这一新相。更有趣的是，研究发现了两个不同的“超辐射时钟相”之间存在一个清晰的一级量子相变，这与传统自旋系统在零场下的弱一级相变截然不同，凸显了光子导致的粒子-空穴对称性破缺所扮演的关键角色。标度分析进一步表明，从“超辐射时钟相”到无序超辐射相的转变，可能属于三维XY普适类。

这项研究不仅在理论上预言了一种全新的量子物态，深化了人们对多体物理、量子光学与几何阻挫之间复杂相互作用的理解，更重要的是，它为未来在实验平台上实现和观测该物态提供了明确的蓝图。基于里德堡原子和光学腔的量子模拟器，是当前最有可能验证这一理论的实验体系。本研究得到了国家自然科学基金、小米青年学者项目及合作单位经费的支持。

论文信息：DOI:10.1103/m14q-xbzc

Phys.org报道：//phys.org/news/2026-03-superradiant-clock-phase-emerges-rydberg.html