光与物质的相互作用是物理学最基本的问题之一,其中一个著名的范例是Jaynes-Cummings模型,该模型描述了光学腔内的量子化光场和单个二能级原子的强耦合相互作用,可研究真空Rabi分裂、高效率单光子产生、量子网络等重要的物理问题。近年来,随着超冷量子气体的精密操控技术的发展,光学腔和超冷量子气体的强耦合打开了研究多体物理中量子相变以及非平衡动力学的新方向。上世纪70年代曾预测在这种系统中存在稳态超辐射Dicke相变,理论上认为相变阈值需要达到THz的能量尺度才能实现相变所需的光与原子强耦合条件,这使得冷原子中的超辐射相变一度被认为不可能实现。直到最近在超冷的玻色气体中,利用腔场介导的玻色气体动量态之间的拉曼过程,才得以观察到Dicke量子相变。与玻色气体相对应的是,光学腔内的超冷费米气体尽管有许多的理论预测,但由于实验技术的挑战性缺少足够的实验工作。光学腔内的费米气体由于长程相互作用的存在可以引发许多新奇的物理现象,比如玻璃态、拓扑相变等,这些重要的问题都有待在实验上得到证实。本论文主要聚焦于光学腔内费米气体的实验工作。实验上利用全光的手段制备了量子简并的超冷6Li费米气体,实现了超冷费米气体与光学腔的强耦合,并通过横向的泵浦光晶格,实现了稳态的费米超辐射量子相变。实验上观测到:腔内光场自发的建立,同时伴随着原子团的自组织,这标志着超辐射相变的发生;通过改变泵浦-腔的相对失谐量得到了稳态相图。尤为重要的是,通过精确操控原子温度和光学腔内的原子数N,首次证实了费米统计在稳态超辐射相变中起着重要的作用:由于泡利不相容原理,费米超辐射相变在低温下的阈值表现为N-1/2的原子数目的标度率,这与超冷玻色气体的N-1标度率有着显著的不同。同时我们还发现了一种新奇的动力学行为:以不同的速度逐渐关断泵浦光场时,不同动量态的原子以不同的速度回归到初态,这种类似能带映射的行为也体现了费米子在光晶格的原子能带分布中不同于玻色子的特点。实验上还研究了超辐射费米超流相变对温度、密度等常规实验参数的依赖。这项工作所实现的超冷费米气体和光学腔耦合以及所研究的费米超辐射相变将打开对长程相互作用影响的多体相变物理的研究方向,比如多体局域化、量子热化等。本论文以超冷费米原子气体和光学腔的耦合为主线,聚焦于费米超辐射量子相变物理,在第一章介绍了领域的发展;第二章介绍了费米气体的理论背景;第三章详细介绍了光学腔和超冷费米气体的实验系统:包括超高真空系统、激光系统、磁光阱以及大功率远失谐偶极阱,还有实验用到的法布里珀罗腔、用于双色光稳定的自制参考腔;第四章介绍了成像的技术;第五章详细介绍了费米超辐射的原理及体现量子统计的实验结果,还介绍了量子相变对实验中常见参数,如温度、能量等基本热力学量的依赖结果;最后是对于这项课题的总结和对后续研究的展望。