引言

近日，美国加州大学伯克利分校与哥伦比亚大学的联合团队在《自然-物理学》（Nature Physics）杂志上发表了一项突破性研究，成功实现在10~22个冷原子组成的阵列中，通过光场引发的自组织相变，揭示了介观系统中有限粒子数如何影响对称性破缺、动力学演化与临界响应。这项工作为“从量子到经典”的过渡提供了实验范式。

第一章 为什么研究“介观相变”如此重要？

物理系统中，微观粒子数很少时行为可被精确描述；而宏观系统则表现出“涌现现象”，例如：

· 水沸腾；

· 磁铁被磁化；

· 超导体无电阻。

而介观系统（粒子数在10~100之间）处于两者之间，其行为受到涨落的强烈影响，相变不再“瞬时突变”，而是“渐进分叉”且拥有独特的时间尺度和响应特性。

图1 空腔诱导的自组织现象。 a. 实验装置示意图。光镊捕获的原子被置于空腔场波节处，原子间距为半整数波长（图中为方便展示采用1.5λ间距）。原子由一对圆偏振反向传播的泵浦光束驱动，透射的空腔场通过外差接收器检测。插图(i)-(iii)展示自组织过程：(i) 当泵浦强度低于临界点时，原子保持集中在空腔波节处，平均辐射场为零；(ii)-(iii) 超过临界点时，原子通过向正（红色）或负（蓝色）波腹方向移动实现自组织。b. 通过重复测量得到的空腔场投影概率分布。实验数据基于参数N=20、Δpc=-2π×1.9 MHz、Δpa=-2π×80 MHz，展示了不同Ω值下的场分布。数据经5μs间隔平均处理，采样自泵浦强度提升完成后前100μs时段。标签(i)-(iii)对应图a中的示意图，白色虚线表示根据数据拟合的临界点位置。

第二章 实验系统：用“光”牵引原子跳舞

这项实验中，研究者利用光镊阵列成功构建了一个冷却的铷原子系统，系统中包含大约10至22个⁸⁷Rb原子，这些原子沿着光腔的轴线被精确排列在不同的光学节点上。实验通过一束圆偏振泵浦光注入光腔，激发原子间通过散射光发生相互作用。

当泵浦光的强度，即Rabi频率超过某个临界值时，原子群体表现出显著的集体行为，开始协同运动，形成具有空间周期性的分布。这种集体排列产生了稳定的光学干涉图案，表现出一种自发对称性破缺现象，进而形成了一种称为超辐射态的光机械自组织结构（如图1）。此机制体现了光与物质的强耦合，揭示了微观粒子通过光场相互作用产生宏观有序结构的过程，为理解量子多体系统中的相变和自组织现象提供了重要实验基础和理论支持。

第三章 相变的“指纹”：从单峰到双峰

当激光强度较低时，原子被束缚在光腔的"节点"位置，此时系统不会发射出有组织的光场。然而，随着激光功率的逐步提升，研究人员观察到了一个显著的相变过程：原子开始表现出集体位移行为，系统开始发射具有确定方向性的光场。这一转变在光场分布上表现为从单一中心峰到对称双峰的分叉现象（如图1所示），标志着系统自发地做出了方向选择——即Z₂对称性破缺。为了精确捕捉这一相变特征，研究团队采用了高灵敏度的外差探测技术对腔内的光场分布进行统计测量，成功观测并验证了这一典型的分叉行为。

第四章 数量决定行为：临界点与粒子数有关

图2 临界点对原子数量的依赖性。a.原子数N=10（圆形）、N=16（方形）和N=22（三角形）对应的分岔数据。阴影区域显示半高全宽分布范围，数据标记点为拟合玻尔兹曼分布的峰值位置。b. 不同原子数N下实验测量的临界泵浦强度Ω_c（圆形，对数坐标），与基于独立温度测量结果T=35±10μK的理论预测（公式(4)，黑色虚线及浅蓝色阴影区域）对比。误差棒代表由参数B的拟合统计误差及实验过程中泵浦功率漂移（估计为10%）导致的标准偏差。所报告的Ω_c数值已考虑高斯探测器噪声和泵浦光束高斯强度分布造成的系统误差。需注意我们对Ω的校准存在+6.0%/-8.5%的附加系统误差。所有实验数据均在Δpa=-2π×80 MHz和Δpc=-2π×1.9 MHz条件下获取。选择Δpa值是为了避免原子诱导的腔谐振频率色散位移对原子数量的强依赖性。同时将裸腔谐振频率设置为显著高于泵浦频率，以避免色散位移使泵浦光相对于空腔呈蓝失谐时引发的不稳定性。

研究团队通过精确测量发现，临界泵浦强度Ω_c与原子数N满足Ω_c∝1/√N的标度关系，表明原子数越多系统越容易发生自组织相变（如图2）。这一标度律虽然与热力学极限下的理论预期一致，但创新性地在介观尺度（N=10-22个原子）的实验体系中首次得到验证。

图3 自组织态的寿命特性研究。a-c图展示了超越临界点后，在腔场时间轨迹中观测到的三种典型动力学行为：(a)对称性破缺、(b)状态切换和(c)快速振荡。时间坐标以泵浦光强提升结束时刻为基准零点。彩色阴影区域分别标示系统处于c_proj>0态（红色）和c_proj<0态（蓝色）的持续时间，紫色阴影区表示散粒噪声的本底水平。实验数据对应参数为原子数N=20，泵浦强度Ω=2π×45.4 MHz。d图呈现了N=20条件下，泵浦强度低于临界值（Ω<Ω_c）与高于临界值（Ω>Ω_c）时一阶关联函数g(1)(0,t)的对比。当系统进入自组织态后，关联函数的衰减时标显著延长。e图系统研究了临界点Ω_c随原子数N在不同积分时间下的演变规律：在较大N区域，各曲线趋于重合，表明自组织态具有长程稳定性；而在较小N区域，曲线间距随积分时间增加而扩大，这源于介观系统的瞬态特征。由于在扫描的Ω参数范围内未能诱发相变，N<14体系在25μs和50μs的测量数据缺失。图中Ω_c数据包含与图2b相同的系统误差范围，所示曲线仅作示意参考。全部实验数据均在原子失谐Δpa=-2π×80 MHz和腔失谐Δpc=-2π×1.9 MHz条件下获取。

进一步的动力学测量显示，自组织态的寿命表现出显著的粒子数依赖性：当原子数较少时，系统会因量子涨落而在两个简并的对称态之间频繁隧穿；而随着原子数增加，系统逐渐展现出经典稳定性（如图3）。这一行为与铁磁体的磁化过程具有深刻的类比性——正如纳米磁体易受热扰动发生磁化翻转而宏观磁体保持稳定，该量子相变系统也呈现出从量子涨落主导到经典行为主导的跨尺度特性。

第五章 附加扰动，探测响应：有限的“光力易感性”

图4 光力敏感性研究。a.敏感性测量示意图。原子阵列的主模(z_dom)被施加位移δ_z。当δ_z=0时，原子感受到的有效势Veff关于z_dom=0对称(i)；当|δ_z|>0时，Veff沿偏移方向发生倾斜(ii和iii)。b. N=18、Ω/Ω_c=1.16条件下，不同δ_z值对应的c_proj/c~_a.n.分布（紫色散点）及其平均值（圆圈）。通过在-0.01λ≤δ_z≤0.01λ区间（红圈）拟合c~_proj/c~_a.n.斜率，测得δ(c~_proj/c~_a.n.)/δ(δ_z)|δ_z=0。c. N=14（六边形）和N=18（圆形）体系在不同Ω/Ω_c值下的光力敏感性χ测量结果，与基于T=35μK玻尔兹曼分布的理论预测（虚线）对比。所有实验数据均在Δpa=-2π×80 MHz，Δpc=-2π×1.9 MHz条件下获取。研究者还人为对阵列施加微小“错位”δ_z，模拟“外部力”。

结果显示：

· 系统对微扰的响应（光力敏感性）在临界点附近达到峰值，但不会无限发散；

· 原因在于粒子数有限，系统始终存在涨落；

· 与传统“宏观相变”（如铁磁材料）中发散的响应形成对比。

这正是介观物理的魅力所在！

第六章 意义与展望：迈向可编程量子材料与高灵敏传感

本研究为我们打开了介观物理的一扇窗。它不仅是一项基础研究，更有潜在的应用前景：

· 量子模拟平台：通过精确操控原子位置和相互作用，可模拟其他复杂相变，如玻璃态、拓扑态；

· 优化与计算：通过光机械相变寻找最小能量态，有望用于解决组合优化问题；

· 高灵敏传感：在临界点附近的“有限响应”可被用于微弱力探测；

· 从量子到经典：为研究量子系统如何“变成”经典世界提供实验平台。

正如文章所言，这项工作不仅是“粒子数多了”的实验，而是开启了量子涌现行为的精确研究之路。

终章 结语

这项研究不仅深化了我们对光与物质相互作用机制的理解，也为实现可控的量子多体系统和新型光学器件奠定了基础。通过光机械自组织现象，科学家们展示了如何利用光场精确操控原子排列，推动了量子模拟、量子计算以及超灵敏传感等前沿领域的发展。未来，随着技术的不断进步，这类实验有望揭示更多复杂的量子现象，开辟出更多创新的应用方向。

参考文献：

Ho, J., Lu, YH., Xiang, T. et al. Optomechanical self-organization in a mesoscopic atom array. Nat. Phys. (2025). 

https://doi.org/10.1038/s41567-025-02916-7

撰稿｜唐子骞

指导｜刘玉龙