多粒子纳米结构可用于构建更好的量子技术

在《自然物理学》杂志上，路易斯安那州立大学量子光子学小组对表面等离子体的基本特征提出了新的见解，挑战了现有的理解。基于Omar Magaña-Loaiza副教授实验室进行的实验和理论研究，这些新发现标志着量子等离子体学的重大进展，可能是过去十年中最值得注意的。

虽然该领域的先前研究主要集中在等离子体系统的集体行为上，但LSU小组采用了一种独特的方法。通过将等离子体波视为一个谜题，他们能够分离出多粒子子系统，或者将谜题分解成碎片。这使团队能够看到不同的部分如何协同工作，并揭示了不同的画面，或者在这种情况下，表面等离子体的新行为。

等离激元是当光耦合到电荷振荡时沿着金属表面移动的波。就像将鹅卵石扔进水中会产生涟漪一样，等离子体是沿着金属表面传播的“涟漪”。这些微小的波在纳米尺度上起作用，使它们在纳米技术和光学等领域至关重要。

Riley Dawkins解释说：“我们发现，如果我们观察等离子体波的量子子系统，我们可以看到逆模式，更尖锐的模式和相反的干涉，这与经典行为完全相反”。他是该研究的研究生和共同第一作者，他领导了理论研究。

利用针对金纳米结构的光并观察散射光的行为，LSU量子小组观察到表面等离子体可以表现出玻色子和费米子的特征，玻色子和费米子是量子物理学中的基本粒子。这意味着量子子系统可以表现出非经典行为，例如根据特定条件向不同方向移动。

Magaña-Loaiza解释说：“想象一下你正在骑自行车。你会相信你的大部分原子都朝着与自行车相同的方向移动。对他们中的大多数人来说都是如此。但事实上，有一些原子向相反的方向移动。这些结果的后果之一是，通过了解等离子体波的这些非常基本的特性，最重要的是，这种新行为，人们可以开发出更灵敏和更强大的量子技术。

2007 年，使用等离子体波进行炭疽检测引发了对采用量子原理改进传感器技术的研究。

目前，研究人员正在努力将这些原理集成到等离子体系统中，以创建具有更高灵敏度和精度的传感器。这一进步在医学诊断、药物开发模拟、环境监测和量子信息科学等不同领域都具有重大前景。

这项研究有望对量子等离子体学领域产生重大影响，因为世界各地的研究人员将利用这些发现进行量子模拟。助理研究教授兼通讯作者Chenglong You说：“我们的发现不仅揭示了量子系统中这种有趣的新行为，而且也是有史以来粒子数量最多的量子等离子体系统，仅此一项就将量子物理学提升到了另一个层次。

研究生和共同第一作者Mingyuan Hong领导了该研究的实验阶段。尽管量子等离子体系统很复杂，但Hong指出，他在实验中的主要挑战是外部干扰。

由于等离子体样品的极高灵敏度，来自各种来源的振动（例如道路建设）构成了重大挑战。尽管如此，我们最终还是成功地从等离子体波中提取了量子特性，这一突破增强了敏感的量子技术。这一成就可能为未来的量子模拟开辟新的可能性。

该研究名为“表面等离子体的非经典近场动力学”，完全在路易斯安那州立大学进行。Magaña-Loaiza说：“这项研究的所有作者都隶属于路易斯安那州立大学物理与天文学。我们甚至有一位合著者，他当时还是一名高中生，我为此感到非常自豪”。这项新研究以以前的LSU工作为序。

相关链接：https://www.nature.com/articles/s41567-024-02426-y