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

（上圖）用于量子級聯實驗的裝置示意圖，以及（下圖）光纖腔中與光物質粒子耦合的三激子束縛態的圖示。束縛態改變了光物質粒子之間的相互作用，并強烈改變了發射光的性質。 該研究的合著者、麥考瑞大學數學與物理科學學院的研究小組負責人托馬斯·沃爾茲教授表示，這項工作有可能推動全球對可訪問量子光子技術的探索取得突破。 沃爾茲教授說：“我們開發了一種使用輻射量子級聯的新技術，其中存儲在材料中的光子沿著光與物質相互作用時產生的能級階梯下行。即使相互作用非常微弱，導致所涉及的能級太接近而無法區分，這種情況仍然適用。”

這種能夠更深入地了解量子領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作方式，我們獲得了對半導體等固體材料量子特性的寶貴見解”。 該團隊的技術，他們稱之為“光子級聯相關光譜”，結合了光譜濾波和光子相關分析，揭示了半導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（激子）組成的準粒子。 合著者Lorenzo Scarpelli博士曾是麥考瑞大學的博士后研究員，現在是荷蘭代爾夫特理工大學的博士后研究員，他說：“光子級聯相關光譜的工作方式有點像光子的顯微鏡。我們創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于它們相互作用強度的信息。”

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

這一發現對量子光學很重要，因為它使科學家能夠直接激發和測量特定的單光子躍遷，使他們能夠表征固態系統中微妙的少數粒子量子效應，并鑒定出在新應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，這樣我們就可以構建光學晶體管、非常快速的光學開關，并且可以用單個光粒子而不是電子進行信息處理。我們實驗的主體材料是砷化鎵，但該技術也可以很容易地應用于其他材料，在這些材料中，我們可以期待看到類似的物理效應或行為。這項技術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