超冷量子气体与腔量子电动力学相结合为研究新奇的多体物理相变提供了一个理想的系统。一个标志性例子是著名的Dicke模型，其描述了光场和原子之间的集体相互作用，在强耦合下可出现一个从正常到稳态超辐射相的二阶量子相变。超辐射量子相变自1973 年提出以来，一直没有在实验上被观察到，直到2010年在玻色爱因斯坦凝聚体中利用超冷原子的动量态才实现了Dicke相变。2014年三个理论小组预测了简并费米气体中存在稳态超辐射相，其中原子量子统计和光晶格的嵌套起着重要的作用。然而由于实验研究具有极大的挑战性，量子统计对超辐射相变的影响一直没有在实验上被观察到。

近期，实验室武海斌教授的研究小组观察到了费米气体中的超辐射相变。该研究被评审人评价为“这是一个重要的里程碑，为实现利用光子媒介的相互作用来探索长程相互作用费米子多体物理的量子模拟铺平了道路。”

研究中，一个驻波激光场在横向泵浦光学腔内的超冷费米原子。当泵浦光功率增加到阈值以上，腔内的光场突然形成，同时原子密度的波动诱发超辐射量子相变，原子自发组织形成棋盘格图案的密度分布。根据泡利不相容原理，费米原子散射泵浦光的概率并不相等，只有耦合到终态未被粒子数占据的费米子才能经历自组织形成相变。因此其阈值和原子数的标度取决于费米能量，表现出与玻色爱因斯坦凝聚和热原子不同的标度率：在高温下，相变阈值和原子数的标度率为N-1（N为原子数）；而在低温下，其标度率为N-1/2。

该团队经过多年的努力，克服了量子气体复杂系统中光学腔的频率精密控制技术，发展了精密调控光学腔内超冷费米气体温度的操控手段，首次观察到了费米原子的超辐射量子相变，更重要的是第一次揭示了原子统计在超辐射量子相变中的作用。相关研究结果发表在Science，373，1359（2021）。

图1 (A) 超辐射相变产生的光场；(B) 原子经历从正常到超辐射相变过程中的自组织；(C) 高低温下相变阈值和原子数的标度率；(D) 标度率随温度的变化；