文/Sally Cole Johnson

由澳大利亞麥考瑞大學(xué)的Thomas Volz教授領(lǐng)導(dǎo)的一個科學(xué)家團隊，開發(fā)出了一種量子光學(xué)技術(shù)，該技術(shù)能夠以前所未有的方式，了解半導(dǎo)體內(nèi)光與物質(zhì)相互作用的基本特性。探索微小的光粒子如何與物質(zhì)相互作用，將為揭示半導(dǎo)體等固體材料的量子特性提供了寶貴信息。

該團隊的光譜技術(shù)使用輻射量子級聯(lián)，在這種級聯(lián)中，存儲在材料中的光子沿著光與物質(zhì)相互作用時產(chǎn)生的能級階梯向下傳播，它有可能推動在量子光子學(xué)技術(shù)的探索方面取得突破。

“量子級聯(lián)描述了從能級階梯發(fā)射連續(xù)的光子。通常，當(dāng)原子被高度激發(fā)并相繼發(fā)射光子時，就會產(chǎn)生這種連續(xù)的光子發(fā)射。”Volz解釋說，“就原子而言，其發(fā)射的光子通常具有明顯不同的顏色，因此很容易將它們分開。然后通過探測這些光子就能直接提供關(guān)于原子的信息。”

光子是從半導(dǎo)體系統(tǒng)發(fā)射的，能量非常接近，因此該團隊使用窄帶濾光器來區(qū)分它們。他們還可以探測光子的時間順序以及是否成對發(fā)射，從而揭示有關(guān)底層系統(tǒng)的重要信息。

“想到半導(dǎo)體，人們通常會想到電子-空穴對（或激子）。”Volz 介紹說，“但是，在我們的實驗中，我們在一個光學(xué)腔中將電子-空穴對與光耦合，形成新的準(zhǔn)粒子，我們將其稱為極化子（polaritons）。它們實際上是一種光與物質(zhì)的混合粒子，可以因為彼此之間的相互作用而相互碰撞。”

將光子耦合到電子-空穴對，是使光粒子彼此強烈相互作用的一種方式。最終，它可以為單個光子構(gòu)建晶體管，研究人員或許能夠使用光子（極化子）而不是電子執(zhí)行計算功能。但是極化子仍然是一個抽象的概念。

該團隊的方法非常靈敏，可以揭示有關(guān)底層半導(dǎo)體系統(tǒng)的重要信息。Volz說：“同時，該方法實施起來相對簡單，應(yīng)該適用于一系列不同的光學(xué)活性半導(dǎo)體平臺。”

輻射量子級聯(lián)裝置

該團隊的裝置（見圖1）包含一個由兩個反射鏡制成的光學(xué)微腔，它們在其中插入了一種光學(xué)活性材料（可以吸收光），以產(chǎn)生極化子。

圖1：量子級聯(lián)實驗的裝置，包括光纖腔、基于光譜儀的光譜濾波器、50/50光纖分束器和兩個探測器。

麥考瑞大學(xué)前博士后、荷蘭代爾夫特理工大學(xué)博士后研究員Lorenzo Scarpelli說：“通過腔傳輸?shù)墓馐紫缺凰偷揭粋�非常窄的光譜濾波器，該濾波器由光譜儀制成，其中衍射光柵將不同的光頻率分散到不同的方向。然后我們用一個大透鏡收集所有這些頻率的光，并將它們聚焦到透鏡后面的一個很小的空間區(qū)域——但在某種程度上，每個頻率的光聚焦的位置略有不同。”

接下來，他們放置一根光纖，該光纖只傳輸其所在位置的頻率，它創(chuàng)建了一個光譜濾波器。Scarpelli補充道：“耦合到光纖的傳輸光，使用光纖分束器進行分束，其中50%的光發(fā)送到一個超導(dǎo)單光子探測器，另外50%的光發(fā)送到第二個完全相同的探測器。然后我們就可以研究不同光子的到達時間與濾波器頻率之間的相關(guān)性。”

對于Scarpelli來說，這項技術(shù)最酷的地方是它相對容易設(shè)置，同時也有可能在單個光粒子的水平上研究光與物質(zhì)之間的相互作用。他說：“如果你想想正在發(fā)生的事情，這項技術(shù)的效果真是太棒了——這是一個巨大且令人愉快的驚喜。”

費什巴赫共振

該團隊工作中最令人驚訝的地方是，他們的新技術(shù)使他們能夠探測與極化子的費什巴赫（Feshbach）共振相關(guān)的激子（電子-空穴對）的復(fù)雜束縛態(tài)。這一概念在原子物理學(xué)中廣為人知并得到了利用。

“Feshbach共振強烈地改變了粒子之間相互作用的強度，在我們的實驗中，極化子之間的相互作用被強烈地改變了。”Volz說，“雖然之前已經(jīng)證明了兩體Feshbach共振（包括兩個束縛激子），但我們的技術(shù)首次顯示了極化子的三體Feshbach共振（包括三個束縛激子）（見圖2）。” 

圖2：與光纖腔內(nèi)的光物質(zhì)混合粒子（極化子）耦合的三激子束縛態(tài)。束縛態(tài)改變了極化子之間的相互作用，并強烈地改變了發(fā)射光的性質(zhì)。

一段時間內(nèi)，研究小組無法理解他們獲得的實驗數(shù)據(jù)。“我們的雷達上沒有Feshbach共振，只是期望極化子相互作用的單調(diào)行為。”Volz解釋說，“簡單地說：隨著光子和組成極化子的電子-空穴對之間的能量差的變化，極化子相互作用的強度應(yīng)該會發(fā)生變化。”

極化子越像光子，彼此之間的相互作用就越弱——真空中（沒有半導(dǎo)體）的光子之間根本不會相互作用。

“我們的測量揭示了一種完全非單調(diào)的行為。”Volz說，“很長一段時間以來，我們一直在檢查實驗的所有設(shè)置，覺得是不是我們有哪里做錯了，因為我們根本無法理解得到的數(shù)據(jù)。即使當(dāng)我們意識到是Feshbach共振起了作用時，最初的數(shù)據(jù)也與我們的理論預(yù)期不符。最后，當(dāng)我們再次閱讀現(xiàn)有的極化子方面的文獻時，我們才意識到可能存在三體Feshbach共振在發(fā)揮作用。這一切都很有意義！”

光與物質(zhì)之間的相互作用

該團隊的工作將有助于半導(dǎo)體材料平臺的基礎(chǔ)研究。Volz說：“我們的方法可以直接揭示極化子之間的相互作用，這是一個很難直接測量的重要的量。另外，也有可能在其他平臺上應(yīng)用這種方法來研究復(fù)雜的多體狀態(tài)，當(dāng)然這需要在每種情況下進行一些更具體的建模。”

這個新工具對量子光學(xué)意味著什么？“這無疑是一個重要的工具，有助于理解光與物質(zhì)之間相互作用的基本原理。”Scarpelli說，“我們的實驗是在砷化鎵（GaAs）上進行的，但這項技術(shù)可以應(yīng)用于更廣泛的光學(xué)活性材料。盡管GaAs中的極化子已經(jīng)被研究了很多年，但是通過我們的新技術(shù)，我們觀察到了一種以前只是以理論形式存在的特定類型的相互作用。希望我們的技術(shù)也能用于其他材料的進一步探索。”

研究人員計劃繼續(xù)尋找一種能夠在單光子之間形成超強相互作用的材料，并最終實現(xiàn)單光子晶體管的夢想。Volz說：“目前，我的研究小組正在研究銅氧化物中的里德伯（Rydberg）極化子，我們希望在新材料系統(tǒng)中重復(fù)我們的測量方法。”

Volz目前被借調(diào)到德國慕尼黑一家旨在制造光量子計算機的初創(chuàng)公司工作。