文/Sally Cole Johnson

由澳大利亚麦考瑞大学的Thomas Volz教授领导的一个科学家团队，开发出了一种量子光学技术，该技术能够以前所未有的方式，了解半导体内光与物质相互作用的基本特性。探索微小的光粒子如何与物质相互作用，将为揭示半导体等固体材料的量子特性提供了宝贵信息。

该团队的光谱技术使用辐射量子级联，在这种级联中，存储在材料中的光子沿着光与物质相互作用时产生的能级阶梯向下传播，它有可能推动在量子光子学技术的探索方面取得突破。

“量子级联描述了从能级阶梯发射连续的光子。通常，当原子被高度激发并相继发射光子时，就会产生这种连续的光子发射。”Volz解释说，“就原子而言，其发射的光子通常具有明显不同的颜色，因此很容易将它们分开。然后通过探测这些光子就能直接提供关于原子的信息。”

光子是从半导体系统发射的，能量非常接近，因此该团队使用窄带滤光器来区分它们。他们还可以探测光子的时间顺序以及是否成对发射，从而揭示有关底层系统的重要信息。

“想到半导体，人们通常会想到电子-空穴对（或激子）。”Volz 介绍说，“但是，在我们的实验中，我们在一个光学腔中将电子-空穴对与光耦合，形成新的准粒子，我们将其称为极化子（polaritons）。它们实际上是一种光与物质的混合粒子，可以因为彼此之间的相互作用而相互碰撞。”

将光子耦合到电子-空穴对，是使光粒子彼此强烈相互作用的一种方式。最终，它可以为单个光子构建晶体管，研究人员或许能够使用光子（极化子）而不是电子执行计算功能。但是极化子仍然是一个抽象的概念。

该团队的方法非常灵敏，可以揭示有关底层半导体系统的重要信息。Volz说：“同时，该方法实施起来相对简单，应该适用于一系列不同的光学活性半导体平台。”

辐射量子级联装置

该团队的装置（见图1）包含一个由两个反射镜制成的光学微腔，它们在其中插入了一种光学活性材料（可以吸收光），以产生极化子。

图1：量子级联实验的装置，包括光纤腔、基于光谱仪的光谱滤波器、50/50光纤分束器和两个探测器。

麦考瑞大学前博士后、荷兰代尔夫特理工大学博士后研究员Lorenzo Scarpelli说：“通过腔传输的光首先被送到一个非常窄的光谱滤波器，该滤波器由光谱仪制成，其中衍射光栅将不同的光频率分散到不同的方向。然后我们用一个大透镜收集所有这些频率的光，并将它们聚焦到透镜后面的一个很小的空间区域——但在某种程度上，每个频率的光聚焦的位置略有不同。”

接下来，他们放置一根光纤，该光纤只传输其所在位置的频率，它创建了一个光谱滤波器。Scarpelli补充道：“耦合到光纤的传输光，使用光纤分束器进行分束，其中50%的光发送到一个超导单光子探测器，另外50%的光发送到第二个完全相同的探测器。然后我们就可以研究不同光子的到达时间与滤波器频率之间的相关性。”

对于Scarpelli来说，这项技术最酷的地方是它相对容易设置，同时也有可能在单个光粒子的水平上研究光与物质之间的相互作用。他说：“如果你想想正在发生的事情，这项技术的效果真是太棒了——这是一个巨大且令人愉快的惊喜。”

费什巴赫共振

该团队工作中最令人惊讶的地方是，他们的新技术使他们能够探测与极化子的费什巴赫（Feshbach）共振相关的激子（电子-空穴对）的复杂束缚态。这一概念在原子物理学中广为人知并得到了利用。

“Feshbach共振强烈地改变了粒子之间相互作用的强度，在我们的实验中，极化子之间的相互作用被强烈地改变了。”Volz说，“虽然之前已经证明了两体Feshbach共振（包括两个束缚激子），但我们的技术首次显示了极化子的三体Feshbach共振（包括三个束缚激子）（见图2）。” 

图2：与光纤腔内的光物质混合粒子（极化子）耦合的三激子束缚态。束缚态改变了极化子之间的相互作用，并强烈地改变了发射光的性质。

一段时间内，研究小组无法理解他们获得的实验数据。“我们的雷达上没有Feshbach共振，只是期望极化子相互作用的单调行为。”Volz解释说，“简单地说：随着光子和组成极化子的电子-空穴对之间的能量差的变化，极化子相互作用的强度应该会发生变化。”

极化子越像光子，彼此之间的相互作用就越弱——真空中（没有半导体）的光子之间根本不会相互作用。

“我们的测量揭示了一种完全非单调的行为。”Volz说，“很长一段时间以来，我们一直在检查实验的所有设置，觉得是不是我们有哪里做错了，因为我们根本无法理解得到的数据。即使当我们意识到是Feshbach共振起了作用时，最初的数据也与我们的理论预期不符。最后，当我们再次阅读现有的极化子方面的文献时，我们才意识到可能存在三体Feshbach共振在发挥作用。这一切都很有意义！”

光与物质之间的相互作用

该团队的工作将有助于半导体材料平台的基础研究。Volz说：“我们的方法可以直接揭示极化子之间的相互作用，这是一个很难直接测量的重要的量。另外，也有可能在其他平台上应用这种方法来研究复杂的多体状态，当然这需要在每种情况下进行一些更具体的建模。”

这个新工具对量子光学意味着什么？“这无疑是一个重要的工具，有助于理解光与物质之间相互作用的基本原理。”Scarpelli说，“我们的实验是在砷化镓（GaAs）上进行的，但这项技术可以应用于更广泛的光学活性材料。尽管GaAs中的极化子已经被研究了很多年，但是通过我们的新技术，我们观察到了一种以前只是以理论形式存在的特定类型的相互作用。希望我们的技术也能用于其他材料的进一步探索。”

研究人员计划继续寻找一种能够在单光子之间形成超强相互作用的材料，并最终实现单光子晶体管的梦想。Volz说：“目前，我的研究小组正在研究铜氧化物中的里德伯（Rydberg）极化子，我们希望在新材料系统中重复我们的测量方法。”

Volz目前被借调到德国慕尼黑一家旨在制造光量子计算机的初创公司工作。