新的量子光学技术揭示极化激元相互作用

由麦考瑞大学（Macquarie University）科学家领导的国际合作引入了一种新的量子光学技术，可以提供前所未有的机会来研究半导体中光与物质相互作用的基本特性。

这项研究于1月15日发表在《自然·物理学》杂志上，它使用了一种新的光谱技术来探索量子尺度上光子和电子之间的相互作用。

该研究的合著者、麦考瑞大学数学与物理科学学院的研究小组负责人托马斯·沃尔兹教授表示，这项工作有可能推动全球对可访问量子光子技术的探索取得突破。

Volz教授说：“我们开发了一种使用辐射量子级联的新技术，其中存储在材料中的光子沿着光与物质相互作用时产生的能级阶梯下行。即使相互作用非常微弱，导致所涉及的能级太接近而无法区分，这种情况仍然适用。”

（上图）用于量子级联实验的装置示意图，以及（下图）光纤腔中与光物质粒子耦合的三激子束缚态的图示。束缚态改变了光物质粒子之间的相互作用，并强烈改变了发射光的性质。

这种能够更深入地了解量子领域的能力具有巨大的潜力。

沃尔兹教授说：“通过了解这些微小光粒子的协作方式，我们获得了对半导体等固体材料量子特性的宝贵见解”。

该团队的技术，他们称之为“光子级联相关光谱”，结合了光谱滤波和光子相关分析，揭示了半导体激子极化激元之间的相互作用，激子极化激元是由光子（光）和物质（激子）组成的准粒子。

合著者Lorenzo Scarpelli博士曾是麦考瑞大学的博士后研究员，现在是荷兰代尔夫特理工大学的博士后研究员，他说：“光子级联相关光谱的工作方式有点像光子的显微镜。我们创建了光子的实时图像，这告诉我们它们是否倾向于一起传播，也让我们能够提取关于它们相互作用强度的信息。”

他说，该团队的新技术使他们能够检测到涉及三个或更多粒子的复杂束缚态的相互作用，而这些相互作用以前只是理论上的。

这一发现对量子光学很重要，因为它使科学家能够直接激发和测量特定的单光子跃迁，使他们能够表征固态系统中微妙的少数粒子量子效应，并鉴定出在新应用中可能起良好作用的材料。

沃尔兹教授说：“全世界都在寻找能够控制光粒子相互作用的材料，这样我们就可以构建光学晶体管、非常快速的光学开关，并且可以用单个光粒子而不是电子进行信息处理。我们实验的主体材料是砷化镓，但该技术也可以很容易地应用于其他材料，在这些材料中，我们可以期待看到类似的物理效应或行为。这项技术将使我们能够获得对固体材料量子特性的宝贵见解。”

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