探測半導體微腔中準粒子的實驗進一步揭示了光的量子流體動力學性質。

流體無摩擦流動的能力，即超流性，并不局限于流體動力學所描述的系統。十多年前，研究人員開始對超流體和其他量子流體產生興趣，這是因為在非線性介質中傳播的光可以表現出量子流體動力學的特征。相關的研究通常在兩種場景下進行：半導體微腔對光子形成的約束，以及體介質中光子的傳播幾何行為。

這兩種情況下都允許光子獲得有效質量并實現有效的相互作用，從而在整體上表現為量子流體。然而，對這些奇異狀態的進一步認識受到實驗上的限制，特別是對于作為量子流體行為標志的集體激發，在探測上存在一定的困難。最近，法國索邦大學Kastler-Brossel實驗室(LKB)的Ferdinand Claude等對半導體微腔中極化激元形成的量子流體進行了前所未有的詳細描述。

激光脈沖(紅色)通過光泵浦在半導體微腔中產生極化激元，通過測量波長可調諧探測脈沖在不同入射角下的反射率，可以獲得具有量子流體特征的極化激元色散曲線

當用頻率與腔共振模式相匹配的電磁波照射半導體微腔時，垂直于腔平面的波矢分量將被量子化，在色散關系中表現出可以賦予光子有效質量的二次依賴性。激光照射產生的激子與微腔中光子相干耦合產生的極化激元兼具光子和激子的特性(其質量由激子有效質量和光子有效質量決定)，它們之間通過激子—激子耦合相互作用。這些極化激元的集體行為表現為大量相互作用的粒子流，即量子流體，從中已經觀察到了從玻色—愛因斯坦凝聚到超流的量子流體行為。

腔極化激元和二維量子流體的時間演化均可由所謂的Gross—Pitaevskii方程來描述。量子流體行為的一個標志是集體激發的存在，在靜止流體表面形成傳播的小密度擾動。這種傳播由類似博戈留波夫(Bogoliubov)的色散關系描述，該關系具有類聲區域(大空間尺度上的線性能量—動量關系)和類自由粒子區域(小尺度上的拋物線關系)。Claude等人的工作專注于這些集體激發(Bogoliubov波)的定量測量。對于給定的泵浦能量，他們測量在不同角度入射(波長可調諧)的探測光束的反射率，如圖所示。對于每個角度，當探測光與極化激元的集體激發共振時，反射率譜中都會出現一個凹陷，因此可以用不同的波矢量表征Bogoliubov激發，從而重建色散關系。

在超流體中，Bogoliubov色散關系有兩個分支，一個是正常色散，一個是負色散，也被稱為幽靈分支。后一個分支之所以得名，是因為它很難激發，因此也很難觀察。在先前的工作中，LKB的研究人員已經在微腔反射率測量中找到了這種幽靈分支的蹤跡，現在這項新工作進一步改善了兩個分支的表征，特別是對于迄今為止表征不佳的色散曲線區域，并觀察到流體密度和其他參數如何影響波速的新細節，以及各種流體不穩定性的建立過程。

這項工作使量子流體的研究獲得了更高程度的實驗控制，為更廣泛的極化流體定量研究鋪平了道路。通過探測與標準量子流體行為的微小偏差，該項技術將進一步促進有關量子流體動力學的研究。更重要的是，它有可能使極化激元系統能夠用作引力的光學模擬，模擬與天體物理學、宇宙學和量子引力相關的難以探測的現象。

審核編輯：劉清