由麥考瑞大學(xué)（Macquarie University）科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的國際合作團(tuán)隊引入了一種新型量子光學(xué)技術(shù)，可以提供前所未有的機(jī)會來研究半導(dǎo)體中光與物質(zhì)相互作用的基本特性。 這項研究于1月15日發(fā)表在《自然·物理學(xué)》雜志上，它使用了一種新的光譜技術(shù)來探索量子尺度上光子和電子之間的相互作用。

（上圖）用于量子級聯(lián)實驗的裝置示意圖，以及（下圖）光纖腔中與光物質(zhì)粒子耦合的三激子束縛態(tài)的圖示。束縛態(tài)改變了光物質(zhì)粒子之間的相互作用，并強(qiáng)烈改變了發(fā)射光的性質(zhì)。 該研究的合著者、麥考瑞大學(xué)數(shù)學(xué)與物理科學(xué)學(xué)院的研究小組負(fù)責(zé)人托馬斯·沃爾茲教授表示，這項工作有可能推動全球?qū)稍L問量子光子技術(shù)的探索取得突破。 沃爾茲教授說：“我們開發(fā)了一種使用輻射量子級聯(lián)的新技術(shù)，其中存儲在材料中的光子沿著光與物質(zhì)相互作用時產(chǎn)生的能級階梯下行。即使相互作用非常微弱，導(dǎo)致所涉及的能級太接近而無法區(qū)分，這種情況仍然適用。”

這種能夠更深入地了解量子領(lǐng)域的能力具有巨大的潛力。

沃爾茲教授說：“通過了解這些微小光粒子的協(xié)作方式，我們獲得了對半導(dǎo)體等固體材料量子特性的寶貴見解”。 該團(tuán)隊的技術(shù)，他們稱之為“光子級聯(lián)相關(guān)光譜”，結(jié)合了光譜濾波和光子相關(guān)分析，揭示了半導(dǎo)體激子極化激元之間的相互作用，激子極化激元是由光子（光）和物質(zhì)（激子）組成的準(zhǔn)粒子。 合著者Lorenzo Scarpelli博士曾是麥考瑞大學(xué)的博士后研究員，現(xiàn)在是荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的博士后研究員，他說：“光子級聯(lián)相關(guān)光譜的工作方式有點像光子的顯微鏡。我們創(chuàng)建了光子的實時圖像，這告訴我們它們是否傾向于一起傳播，也讓我們能夠提取關(guān)于它們相互作用強(qiáng)度的信息。”

他說，該團(tuán)隊的新技術(shù)使他們能夠檢測到涉及三個或更多粒子的復(fù)雜束縛態(tài)的相互作用，而這些相互作用以前只是理論上的。

這一發(fā)現(xiàn)對量子光學(xué)很重要，因為它使科學(xué)家能夠直接激發(fā)和測量特定的單光子躍遷，使他們能夠表征固態(tài)系統(tǒng)中微妙的少數(shù)粒子量子效應(yīng)，并鑒定出在新應(yīng)用中可能起良好作用的材料。 沃爾茲教授說：“全世界都在尋找能夠控制光粒子相互作用的材料，這樣我們就可以構(gòu)建光學(xué)晶體管、非常快速的光學(xué)開關(guān)，并且可以用單個光粒子而不是電子進(jìn)行信息處理。我們實驗的主體材料是砷化鎵，但該技術(shù)也可以很容易地應(yīng)用于其他材料，在這些材料中，我們可以期待看到類似的物理效應(yīng)或行為。這項技術(shù)將使我們能夠獲得對固體材料量子特性的寶貴見解。”

審核編輯：黃飛