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光和物质在量子耦合中合并

发布时间：2024-07-19 12:18:14编辑：来源：

在光和物质相交的地方，世界会发光。根据莱斯大学的科学家的说法，光与物质相互作用的强烈程度使它们成为一体，它们照亮了一个新的物理世界。

水稻物理学家正在关注创造一种新的凝聚态物质的方法，其中物质中的所有电子通过用光和磁场操纵它们而起到一体作用。通过为太赫兹辐射定制的，精细调谐的腔体所产生的效果显示出迄今为止观察到的最强的光 - 物质耦合现象之一。

Rice物理学家Junichiro Kono及其同事的工作在Nature Physics中有所描述。Kono说，通过向研究腔量子电动力学和凝聚态物理学的人们揭示新现象，它可以帮助推进量子计算机和通信等技术。

一般意义上的凝聚态物质是固体或液体，但凝聚态物理学家研究的形式更为深奥，如玻色 - 爱因斯坦凝聚物。莱斯团队是最早在1995年制造玻色 - 爱因斯坦凝聚体的团队之一，当时它促使原子在超冷温度下形成气体，其中所有原子都失去了它们的个体特征并且表现为单个单元。

Kono团队正朝着类似的方向努力，但电子与光线强烈耦合或“穿着”。Qio是Kono小组的前研究生，也是该论文的第一作者，他设计并构建了一个极高质量的腔体，其中含有超薄的砷化镓层，这是他们用来研究超荧光的材料。通过用磁场调谐材料以与腔中的某种状态的光共振，它们促使形成以集体方式起作用的极化子。

“这是对二维电子材料的非线性光学研究，”他的博士生说。关于工作的论文。“当您使用光来探测材料的电子结构时，您通常会寻找光吸收或反射或散射来查看材料中发生的情况。那光只是一个弱探头，这个过程叫做线性光学。

“非线性光学意味着光能对材料起作用，”他说。“光不再是一个小扰动; 它与材料结合在一起。当你改变耦合强度时，材料会发生变化。我们正在做的是非线性光学的极端情况，其中光和物质耦合得如此强烈，以至于我们不再有光和物质了。我们之间有一些东西，称为极化子。“

研究人员采用了一种称为真空Rabi分裂的参数来测量光物质耦合的强度。“在以前关于腔内光物耦合的99%以上的研究中，这个值是所用光的光子能量的一小部分，”科诺集团的合着者和研究生李新伟说。“在我们的研究中，真空Rabi分裂的光子能量高达10%。这使我们处于所谓的超强耦合状态。

“这是一个重要的制度，因为最终，如果真空Rabi分裂变得大于光子能量，物质就会进入一个新的基态。这意味着我们可以诱导相变，这是凝聚态物理中的一个重要元素，“他说。

相变是物质状态之间的过渡，如冰到水到蒸汽。Kono团队正在寻找的特定过渡是超极化相变，其中极化子进入具有宏观相干性的有序状态。

科诺表示，太赫兹光线投入腔体的数量非常微弱。“我们所依赖的是真空波动。在传统意义上，真空是一个空的空间。什么也没有。但在量子意义上，真空充满了波动的光子，具有所谓的零点能量。这些真空光子实际上就是我们用来共振激发腔内电子的东西。

“这个一般主题是所谓的腔量子电动力学(QED)，”Kono说。“在空腔QED中，空腔增强了光，因此空腔中的物质与真空场共振。固态腔QED的独特之处在于，光通常与大量电子相互作用，这些电子的行为就像一个巨大的原子。

他说，固态腔QED也是涉及量子信息处理的应用的关键，如量子计算机。“光物质界面很重要，因为这就是所谓的光物质纠缠发生的地方。这样，物质的量子信息可以转移到光，光可以在某处发送。

“为了提高腔QED在量子信息中的实用性，光物耦合越强越好，它必须使用可扩展的固态系统而不是原子或分子系统，”他说。“这就是我们在这里取得的成就。”

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