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苏黎世联邦理工学院通过极化激元使光子相互排斥
2019-02-26


[据物理学组织网站20190225日报道]光粒子通常不会感觉彼此,因为它们之间没有相互作用。苏黎世联邦理工学院的研究人员已经成功地实现了对半导体材料中光子的操控,使它们彼此排斥。



两束交叉的光束不会使彼此偏转,这是因为,根据量子物理定律,光粒子和光子之间没有相互作用。因此,在碰撞中,两个光子只是简单地相互穿过,而不是相互反弹-除非以某种方式帮助它们。实际上,研究人员已经在相当长的时间内尝试寻找让光子感觉彼此的?#38469;酢?#24076;望为研究和实际应用带来许多新的可能性。苏黎世联邦理工学院量子电子学研究所的Ataç Imamoğlu教授以及其合作者已经为实?#26234;?#28872;相互作用的光子迈出了重要的一步。研究结果最近发表在科学杂志《Nature Materials》上。



转化为极化激元



Imamoğlu实验室的博士后Aymeric Delteil解释到:强烈相互作用的光子是我们主要的研究领域。然而,为了使光粒子相互排斥,他和同事还需要做出更多的努力。他们使用光纤,将短激光脉冲发送到光学谐振腔中,光被强烈聚焦到半导体材料上。材料被冷却到零下269摄氏度的低温恒温器中(一种非常强大的恒温箱)。在这种极?#23435;?#24230;下,光子可以与材料中的电子激子结合。这种结合产生了所谓的极化激元。在材料的另一端,极化激元又变成光子,然后光子离开谐振腔。



由于电子激子之间存在电磁作用力,因此极化激元之间?#19981;?#20135;生相互作用。Imamoğlu说:我们在不久之前就发现?#33487;?#31181;现象。但是,当时的效果非常的微弱,以至于只有大量极化激元之间的相互作用时才会被发现,而单个极化激元之间的成对排斥并不易被发现。



相关信号的相互作用



在他们的新实验中,研究人员现在能够证明,单个极化激元确实可以产生相互作用。这可?#28304;?#31163;开谐振腔相互关联的光子推断出来。为了揭示所谓的量子关联,测量光子离开谐振腔不久后,第二个光子离开的概率。如果光子受半导体内部极化激元的相互阻碍,那么这种可能性将小于对非相互作用的光子预期。



在极端的情况下,甚至会出现光子封锁的现象,这是20年前Imamoğlu 已经假定可能会产生的影响。半导体中产生的极化激元会完全阻止第二个光子进入材料。Imamoğlu承?#24076;?/span>我们离认识到这一点还有很长的路要走,但与此同时,我们对刚刚发表的结果作了进一步的改进。这意味着我们在正确的轨道上。”Imamoğlu的长期目标是让光子之间的相互作用更加强烈,这让它们表现的更像是费米子-量子粒子,换句话说就是不能在同一个地方出现。



对极化激元强烈相互作用的兴趣



最初,Imamoğlu对应用并不?#34892;?#36259;。他说:这只是基础性的研究,但我们希望有一天,能够制造出相互作用如此强烈的极化激元,这样我们就能用它们来研究量子物理学中的新效应,否则将很难观测到。物理学家特别?#34892;?#36259;的是极化激元与环境接触并与之交换能量的情况。根据理论物理学家的计算,这种能量交换,?#30001;?#26497;化激元之间的相互作用,导致的现象只有最基本的解释。因此,Imamoğlu的实验有助于更好地理解理论模型。(工业和信息化部电子第一研究所  李茜楠)



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