連續相變普適性概念的建立是二十世紀相變理論最為核心和迷人的成果之一。近來，中國科學院理論物理研究所陳曉松研究員及合作者系統研究了各向異性量子Rabi模型的量子相變問題。他們通過解析和數值計算模型的臨界指數和標度函數，在這樣一個有限自由度系統的相變中建立了普適性的概念，并論述了其與熱力學極限下傳統普適性概念的等價性。相關結果已發表于Phys. Rev. Lett. 119, 220601 (2017)上，并被編輯部推薦為亮點文章(Editors' Suggestion)。
圖：各向異性量子Rabi模型相圖
量子Rabi模型是描述光和物質相互作用的簡單模型。其場景為一個二能級原子與單模玻色場的線性耦合系統。它是量子光學，量子信息，凝聚態物理及各種人工量子系統中的基本模型。歷史上，1936年諾貝爾獎得主I. I. Rabi最早提了Rabi模型的半經典版本。1963年，E. T. Jaynes和F. W. Cummings提出旋轉波近似下的量子版本Rabi模型，即Jaynes-Cummings (J-C) 模型。它在量子光學發展早期扮演了極其重要的作用。
新世紀以來，Rabi模型的研究煥發了新的活力。這是因為該模型近來在各種實驗系統（例如：cavity QED，超導量子電路，離子阱，自旋-軌道耦合量子點等）被廣泛實現。這使得人們有能力實現所謂的超強耦合，甚至深強耦合。更廣闊的實驗參數區域帶來了各種新的物理現象，也為理論工作者提出了新的挑戰。理論上在量子Rabi模型中發現的量子相變就是其中很重要的例子。傳統的相變理論認為，相變必須在熱力學極限下才能發生。因此，在量子Rabi模型這樣有限自由度系統中也能發生相變，很大程度上拓展了人們對相變本質的認識。然而另一方面，普適性作為相變中的核心概念，在量子Rabi模型相變的研究中并未被觸及。
本工作的作者們意識到，在這樣的有限自由度系統中，是否可以建立普適性概念是本領域研究進一步發展的關鍵。他們通過合作研究，成功在解析計算等方面取得突破，獲得了各向異性Rabi模型的相圖、標度函數、臨界指數。以此為基礎，普適性的概念在這樣的有限自由度系統得以建立。他們進一步將結論推廣到任意原子數的Dicke模型中，并與熱力學極限下的傳統普適性概念等價起來。同時，他們也第一次獲得了J-C模型連續相變的不連續標度函數。這些研究結果將對進一步理解量子Rabi模型及超強耦合相關的量子現象、理解量子相變和相變普適性概念等具有新的啟發。
該工作由北京計算科學研究中心劉卯鑫博士后、Stefano Chesi研究員、應祖建副教授（訪問學者）和林海青研究員，中國科學院理論物理研究所陳曉松研究員和蘭州大學羅洪剛教授共同完成。陳曉松研究員多年來一直從事統計物理相關課題的研究，特別是相變與臨界現象的研究。劉卯鑫曾就讀于中國科學院理論物理研究所，在陳曉松研究員指導下進行相變與臨界現象方面的研究并獲得博士學位。這一工作是相變與臨界現象和量子物理、凝聚態物理領域交叉合作的研究成果。
該工作得到國家自然科學基金(11604009, 11574025, 11325417, 11674139, 1121403), National Scholastic Athletics Foundation (U1530401)和FET (618083) 資助。