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來自公眾號：小柯物理

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美國路易斯安那州立大學(xué)的Omar Maga?a-Loaiza團(tuán)隊通過分析多粒子子系統(tǒng)，揭示了玻色子或費(fèi)米子相干特性所定義的非經(jīng)典動力學(xué)和散射效應(yīng)。北京時間2024年2月29日，該成果以“Nonclassical near-field dynamics of surface plasmons”為題發(fā)表在國際知名期刊Nature Physics上。

美國路易斯安那州立大學(xué)量子光學(xué)實(shí)驗室博士生洪銘遠(yuǎn)為該文第一作者，研究助理教授由成龍為該文通訊作者。

《自然—物理學(xué)》：洪銘遠(yuǎn)等揭示表面等離激元的非經(jīng)典近場動力學(xué)

在過去二十年里，人們對了解表面等離激元極化子（玻色子和費(fèi)米子耦合產(chǎn)生的準(zhǔn)粒子）的量子特性產(chǎn)生了濃厚的興趣。研究的重點(diǎn)是衰減等離激元場的物理原理及其在揭示光子系統(tǒng)中新形式量子相干性方面的潛力，以及探索電磁場中的量子真空漲落。盡管這些研究與量子物理學(xué)和技術(shù)發(fā)展息息相關(guān)，由于測量等離激元系統(tǒng)中單獨(dú)的子系統(tǒng)的量子動力學(xué)所面臨的困難，大部分研究仍停留在理論層面。量子光源的引入促進(jìn)了具有非經(jīng)典特性的量子等離激元系統(tǒng)的發(fā)展，包括探索波粒二象性和利用糾纏控制雙光子干涉。最近的研究表明，等離激元和光子之間的多粒子散射改變了這些系統(tǒng)的量子統(tǒng)計特性。然而，表面等離激元宏觀行為背后的孤立子系統(tǒng)的量子動力學(xué)在很大程度上尚未被探索。在最新的實(shí)驗研究中，美國路易斯安那州立大學(xué)的Omar Maga?a-Loaiza團(tuán)隊對等離激元系統(tǒng)近場動力學(xué)的測量，通過分析多粒子子系統(tǒng)，揭示了玻色子或費(fèi)米子相干特性所定義的非經(jīng)典動力學(xué)和散射效應(yīng)。這些發(fā)現(xiàn)表明，這種量子力學(xué)效應(yīng)可在等離激元平臺上觀測到，而不受多粒子散射的限制，揭示了等離激元近場的普適特性，對開發(fā)量子多體系統(tǒng)具有重大意義。

圖1 承載多粒子散射的等離激元納米結(jié)構(gòu)

本研究利用金納米結(jié)構(gòu)來探測表面等離激元的非經(jīng)典近場動力學(xué)，重點(diǎn)是通過穿過等離激元樣品狹縫的熱多光子場來控制等離激元場的激發(fā)。該方法利用熱光場的經(jīng)典性質(zhì)（由真空和多光子波包的統(tǒng)計混合組成），用水平偏振光子選擇性地激發(fā)等離激元近場。這種設(shè)置可以精確控制激發(fā)的等離激元場的強(qiáng)度，通過光子數(shù)分辨（PNR）探測器的測量，可以詳細(xì)分析樣品內(nèi)部的散射過程。光子-等離激元多粒子系統(tǒng)的集體行為依托于一個詳細(xì)的理論框架中，采用Glauber的P函數(shù)來表示態(tài)密度矩陣，從而提供了基于偏振和光子數(shù)的系統(tǒng)量子動力學(xué)的解釋。此外，該研究還將經(jīng)典等離激元波的動力學(xué)與其組成的多粒子子系統(tǒng)的動力學(xué)進(jìn)行了對比，揭示了產(chǎn)生獨(dú)特干涉模式的復(fù)雜量子相互作用。通過研究干涉光子和等離激元之間的相干性，研究確定了以玻色相干性或費(fèi)米相干性為特征的多粒子動力學(xué)如何影響干涉條紋的可見性和性質(zhì)。實(shí)驗在遠(yuǎn)場測量包含真空漲落在內(nèi)的不同光子數(shù)組成的量子子系統(tǒng)，為研究等離激元系統(tǒng)的量子相干性提供了新的方向。此外，這項研究展示了二階相干系數(shù)如何隨檢測到的多粒子子系統(tǒng)而變化，說明了散射過程對于理解等離激元場的量子統(tǒng)計特性至關(guān)重要。這些發(fā)現(xiàn)不僅揭示了等離激元系統(tǒng)錯綜復(fù)雜的量子行為，還凸顯了進(jìn)一步探索納米結(jié)構(gòu)材料中量子相干性和多粒子動力學(xué)的潛力。

圖2 觀測等離激元系統(tǒng)中的類玻色子和類費(fèi)米子相干過程

該團(tuán)隊證明了表面等離激元的經(jīng)典近場動力學(xué)是由其組成的多粒子子系統(tǒng)之間的非經(jīng)典散射過程定義的。實(shí)驗將多粒子等離激元系統(tǒng)分離出來，證明它們的量子動力學(xué)受玻色子或費(fèi)米子相干過程的影響。文章還討論了由電磁場的真空漲落激發(fā)的等離激元場的量子相干特性。該團(tuán)隊的發(fā)現(xiàn)揭示了電磁近場的多粒子特性，對量子技術(shù)具有重要意義。

編輯 |?張可

排版?|?夏天

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《自然—物理學(xué)》：洪銘遠(yuǎn)等揭示表面等離激元的非經(jīng)典近場動力學(xué)

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