洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的科學(xué)家，已成功將一種新物質(zhì)材料與單光子水平的光相耦合。這一成果為更好地控制和理解量子關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的性質(zhì)開(kāi)辟了新前景，在這些系統(tǒng)中，理論計(jì)算是困難的。

有一大類材料被物理學(xué)家稱為“強(qiáng)相關(guān)”，包括絕緣體和具有不同尋常電磁性質(zhì)的電子材料，甚至包括中子星中的中子。它們的性質(zhì)是因?yàn)槌煞窒嗷プ饔梅浅?qiáng)：

新的特征出現(xiàn)在集體層面，而這些新特征并不存在于孤立的粒子中。強(qiáng)相關(guān)材料的獨(dú)特性質(zhì)往往在技術(shù)上是有用的，因此被用于超導(dǎo)磁體和磁存儲(chǔ)技術(shù)，也被用于新興的“量子技術(shù)”?，F(xiàn)在，由洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院物理研究所Jean-Philippe Brantut領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)家們，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了第一種復(fù)雜、強(qiáng)關(guān)聯(lián)的材料，其成分在單光子水平上與光耦合。

這種物質(zhì)就是研究人員所說(shuō)的“費(fèi)米氣體”，費(fèi)米氣體基本上是一種冷卻到接近絕對(duì)零度的中性原子氣體。在那里，與電子或中子屬于同一粒子族的原子表現(xiàn)出類似的強(qiáng)關(guān)聯(lián)效應(yīng)。通過(guò)將這種費(fèi)米氣體放在兩個(gè)高反射的光學(xué)鏡面之間，即一個(gè)“光的盒子”，研究人員發(fā)現(xiàn)，與光的相互作用可以變得前所未有地強(qiáng)烈。研究人員現(xiàn)在將利用這一點(diǎn)來(lái)更好地控制和理解量子關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的性質(zhì)，這也是理論計(jì)算很困難的地方。

相反，這可能允許進(jìn)一步將強(qiáng)關(guān)聯(lián)物質(zhì)用于量子技術(shù)應(yīng)用，其中與光的接口是前提條件。物質(zhì)中的強(qiáng)量子關(guān)聯(lián)產(chǎn)生了材料一些最非凡的性質(zhì)，從磁性到高溫超導(dǎo)，但它們?cè)诹孔釉O(shè)備中的集成需要與光子強(qiáng)相干耦合，這在固態(tài)系統(tǒng)中仍然是一個(gè)巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。在腔量子電動(dòng)力學(xué)中，玻色-愛(ài)因斯坦凝聚或晶格氣體等量子氣體與光有很強(qiáng)的耦合。然而，到目前為止，無(wú)論是費(fèi)米量子物質(zhì)(與固體中的電子相當(dāng))，還是具有受控相互作用的原子系統(tǒng)，都沒(méi)有與光子強(qiáng)烈耦合。

新研究在高精細(xì)腔中量子簡(jiǎn)并酉費(fèi)米氣體與光的強(qiáng)耦合，研究人員繪制了耦合系統(tǒng)的光譜，并觀察到由于腔光子與氣體每個(gè)自旋分量的強(qiáng)耦合而產(chǎn)生分辨率很好的修飾態(tài)，并研究了自旋平衡和自旋極化氣體，發(fā)現(xiàn)與描述光-物質(zhì)相互作用的定量計(jì)算一致，其系統(tǒng)在量子簡(jiǎn)并區(qū)提供了對(duì)原子-原子和原子-光子相互作用的完全和同時(shí)控制，也為量子模擬開(kāi)辟了廣闊的前景。

強(qiáng)相干的光-物質(zhì)相互作用是新興量子技術(shù)的核心，使人們能夠在單量子水平上觀察和控制物質(zhì)。在多體系統(tǒng)中，當(dāng)集體協(xié)作性Cn?=?4Ng2/κΓ，也就是說(shuō)，當(dāng)光子相干散射到電磁場(chǎng)的一個(gè)特定模式，由高精細(xì)度諧振器挑選出來(lái)，支配非相干損耗過(guò)程時(shí)，就可以定量地達(dá)到這一點(diǎn)。這里g是單光子和單物質(zhì)激發(fā)之間的耦合強(qiáng)度，N是相同發(fā)射體的數(shù)目，κ和Γ分別是光子和物質(zhì)激發(fā)的非相干衰減率。

博科園｜研究/來(lái)自：洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院

參考期刊《自然通訊》

DOI: 10.1038/s41467-020-16767-8

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