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莱斯大学科学家发明的方法拉近了横跨在光与物质之间的鸿沟，这将有可能大幅推进量子计算机和量子通信的技术进步。他们设计并制作了一个带有超薄砷化镓层的高品质共振腔，通过用磁场调谐砷化镓层，使砷化镓层与共振腔内的特定状态光发生共振，从而形成了以集体方式运动的极化激元——一种介于光和物质之间的量子。图片来源：莱斯大学
莱斯大学的科学家们说，光与物质的交汇照亮了世界，当这种交汇强到两者合二为一时，将造就一个新的物理学世界。
通过用光和磁场统一某种物质中所有电子的运动，莱斯大学的科学家们成功地创造了一种新的凝聚态（condensed matterstate）。这个结果是通过一个定制的实验设备——太赫兹辐射精调共振腔获得的，这也是迄今为止观测到的最强烈的光与物质耦合现象之一。
这项由莱斯大学科学家小泉科诺（Junichiro Kono）及其同事共同完成的研究成果，不久前以论文的形式发表在著名的《自然·物理学》杂志上。科诺说，该成果如被研究腔量子电动力学（cavity quantum electrodynamics，cavity QED）和凝聚体物理学（condensed matter physics）的科学家们加以利用，将会推进量子计算机和量子通信的技术进步。
简单地讲，凝聚态物质（condensed matter）是指任何固态或液态物质，但凝聚态物理学家的研究对象是玻色-爱因斯坦凝聚体（Bose-Einstein condensate）这类艰深的物质。来自莱斯大学的一个研究团队是最早生成玻色-爱因斯坦凝聚体的团队之一。早在1995年，他们就通过在超低温下令原子们失去个体运动而以集体方式一致运动的方式，成功地从原子生成气体。
科诺团队正在做的工作与此类似，只不过不是用原子，而是用与光进行强耦合的电子来实现的。用张琪（Qi Zhang，音译）的话来说，这相当于用光给电子穿上了外衣。张琪是从科诺团队毕业的研究生，也是《自然·物理学》杂志论文的第一作者。
他采用曾被用来研究超荧光（superfluorescence）的砷化镓材料，设计并制作了一个包含超薄砷化镓层的高品质共振腔。通过用磁场调谐砷化镓，砷化镓层与共振腔内的特定状态光发生共振，从而形成了以集体方式发生作用的极化激元。
张琪基于这项工作完成了他的博士论文。他介绍说，该研究属于对二维电子材料的非线性光学研究。
当用光来探测材料的电子结构时，通常是通过光的吸收、反射或散射来查看物质发生的变化。这种光是一种弱探测光，上述研究过程被称为线性光学。
非线性光学则意味着光要对物质发生改变。在非线性光学中，光不再是对物质的一个小扰动，而是与物质发生强耦合。当增加这种耦合的力度时，物质就会发生变化。
张琪说：“我们的工作是非线性光学的一个极端实例。在实验中，光和物质的耦合强到无法把光和物质区分开来。这样，我们就得到一种介于二者之间的东西，我们称之为极化激元。”
研究人员使用真空拉比分裂（vacuum Rabi splitting）这个参数来测量光与物质耦合的强度。《自然物理学》论文的合作者、科诺团队的研究生李新伟（Xinwei Li，音译）说：“在以前的光-物腔内耦合研究中，超过99%研究成果的真空拉比分裂与实验中光的光子能量相比，都可以忽略不计。在我们的研究中，真空拉比分裂能达到光子能量的10%。”
“这样的结果已足以进入所谓的超强耦合条件（ultrastrong coupling regime）。超强耦合条件是一个重要的限制性条件，这是因为，一旦真空拉比分裂最终超过光子能量，物质将进入一个新的基态（ground state）。这意味着，我们可以诱导一个相变（phasetransition），这是凝聚体物理中的一个要素。”
相变是物质状态之间的变迁，比如从冰到水再到水蒸气。科诺团队的工作是寻找一种超辐射相变，通过这种相变，极化激元能进入一个具有宏观一致性的有序状态。
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莱斯大学研究生李新伟和物理学家小泉科诺正在为一个腔量子电动力学实验准备样本。他们所在的研究团队致力于通过在传统的凝聚体物理与腔量子光学（cavity-based quantum optics）之间建立联系的研究途径，探索光与物质相互作用的边界。图片来源：莱斯大学
科诺说，实验中投入共振腔中的太赫兹光的强度非常低。他说：“我们的实验基于真空涨落（vacuum fluctuation）理论。从经典意义上讲，真空是一个空的空间，空间里什么都没有。但是从量子意义上讲，真空中充满了波动的光子，具有所谓的零点能（zero-pointenergy），这些真空光子就是我们在共振腔中用以谐振激发电子的东西。这属于腔量子电动力学（cavity QED）的研究范畴。”
“在腔量子电动力学中，共振腔通过增强光，来使共振腔中的物质与真空场相互共振。固态腔量子电动力学的特别之处在于，光通常与数量巨大的电子相互作用，使得这些电子看起来像一个巨大的原子那样运动。”
科诺认为，固态腔量子电动力学是实现量子计算机等与量子信息处理相关应用的关键。他说：“光与物质间的界面非常重要，所谓的光与物质纠缠（light-matterentanglement）就发生在这里。”
“通过光与物质纠缠，物质的量子信息可被转移给光，然后由光传递出去。为了提高腔量子电动力学在量子信息研究上的效用，光与物质的耦合越强越好。我们使用可升级的固态系统替代原子或分子系统，成功地获得了光与物质的强耦合。”
该研究中采用的高品质砷化镓材料是由论文的合作者——桑迪亚国家实验室的约翰·里诺（John Reno）和普渡大学的约翰·华生（John Watson）、迈克尔·曼弗里（Michael Manfra）利用分子束外延工艺合成的。来自桑迪亚国家实验室的韦尔·潘（Weil Pan）和莱斯大学研究生楼敏涵（Minhan Lou）参与了实验样本准备和太赫兹测量，他们也是这篇论文的合作者。
张琪现在是阿尔贡国家实验室的阿莱克西·阿布里科索夫（AlexeiAbrikosov）博士后研究员，科诺是莱斯大学的电气和计算机工程、物理学和天文学、材料科学和纳米工程教授，李新伟凭借在该项目中的卓越工作，获得了莱斯大学电气和计算机工程系的“最佳新人研究奖”。
参考：Nature Physics (2016). DOI: 10.1038/nphys3850
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