具有竞争短程和长程相互作用的量子光学磁体：光腔中的里德伯修饰自旋晶格

冷原子量子模拟 [1] 和量子光学 [2] 领域目前正趋于融合。在最近一系列突破性的光腔原子实验 [3,4] 中，实现了同时具有短程相互作用和由量化光场介导的无限长程强相互作用势的晶格量子多体系统。这些系统的理论建模在以下接口处面临相当大的复杂性：(i) 具有大量原子 $N\rightarrow\infty$ 的相互作用多体系统的自发对称性破缺和涌现相，(ii) 量子光学和涨落光场的动力学，以及 (iii) 驱动开放量子系统的非平衡物理。在此，我们提出了可能是最简单的具有竞争短程和长程相互作用的量子光学磁体，其中所有三个要素都可以得到全面分析：一个与单光子模式相干耦合的里德伯修饰自旋晶格 [5]。通过求解一组关于原子自旋和光子平均场振幅的耦合奇偶子晶格主方程，我们发现了三个关键结果。(R1)：超辐射和相干光子场可以与自发破缺的磁平移对称性共存。后者由弱混入的里德伯能级产生的短程最近邻相互作用诱导。(R2)：这种破缺的奇偶子晶格对称性通过光腔谱中超越传统极化激元模式的新峰在光中留下印记。(R3)：原子自发辐射、驱动和相互作用的综合效应可导致具有异常光子数振荡的相。我们工作的扩展包括与相互作用原子耦合的纳米光子晶体以及里德伯系统中的多模光子动力学。