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蘇黎世聯邦理工學院通過極化激元使光子相互排斥
2019-02-26


[據物理學組織網站20190225日報道]光粒子通常不會感覺彼此,因為它們之間沒有相互作用。蘇黎世聯邦理工學院的研究人員已經成功地實現了對半導體材料中光子的操控,使它們彼此排斥。



兩束交叉的光束不會使彼此偏轉,這是因為,根據量子物理定律,光粒子和光子之間沒有相互作用。因此,在碰撞中,兩個光子只是簡單地相互穿過,而不是相互反彈-除非以某種方式幫助它們。實際上,研究人員已經在相當長的時間內嘗試尋找讓光子感覺彼此的技術。希望為研究和實際應用帶來許多新的可能性。蘇黎世聯邦理工學院量子電子學研究所的Ataç Imamoğlu教授以及其合作者已經為實現強烈相互作用的光子邁出了重要的一步。研究結果最近發表在科學雜志《Nature Materials》上。



轉化為極化激元



Imamoğlu實驗室的博士后Aymeric Delteil解釋到:強烈相互作用的光子是我們主要的研究領域。然而,為了使光粒子相互排斥,他和同事還需要做出更多的努力。他們使用光纖,將短激光脈沖發送到光學諧振腔中,光被強烈聚焦到半導體材料上。材料被冷卻到零下269攝氏度的低溫恒溫器中(一種非常強大的恒溫箱)。在這種極端溫度下,光子可以與材料中的電子激子結合。這種結合產生了所謂的極化激元。在材料的另一端,極化激元又變成光子,然后光子離開諧振腔。



由于電子激子之間存在電磁作用力,因此極化激元之間也會產生相互作用。Imamoğlu說:我們在不久之前就發現了這種現象。但是,當時的效果非常的微弱,以至于只有大量極化激元之間的相互作用時才會被發現,而單個極化激元之間的成對排斥并不易被發現。



相關信號的相互作用



在他們的新實驗中,研究人員現在能夠證明,單個極化激元確實可以產生相互作用。這可以從離開諧振腔相互關聯的光子推斷出來。為了揭示所謂的量子關聯,測量光子離開諧振腔不久后,第二個光子離開的概率。如果光子受半導體內部極化激元的相互阻礙,那么這種可能性將小于對非相互作用的光子預期。



在極端的情況下,甚至會出現光子封鎖的現象,這是20年前Imamoğlu 已經假定可能會產生的影響。半導體中產生的極化激元會完全阻止第二個光子進入材料。Imamoğlu承認:我們離認識到這一點還有很長的路要走,但與此同時,我們對剛剛發表的結果作了進一步的改進。這意味著我們在正確的軌道上。”Imamoğlu的長期目標是讓光子之間的相互作用更加強烈,這讓它們表現的更像是費米子-量子粒子,換句話說就是不能在同一個地方出現。



對極化激元強烈相互作用的興趣



最初,Imamoğlu對應用并不感興趣。他說:這只是基礎性的研究,但我們希望有一天,能夠制造出相互作用如此強烈的極化激元,這樣我們就能用它們來研究量子物理學中的新效應,否則將很難觀測到。物理學家特別感興趣的是極化激元與環境接觸并與之交換能量的情況。根據理論物理學家的計算,這種能量交換,加上極化激元之間的相互作用,導致的現象只有最基本的解釋。因此,Imamoğlu的實驗有助于更好地理解理論模型。(工業和信息化部電子第一研究所  李茜楠)



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