光和物质在空腔内发生强耦合作用

科技日报北京8月25日电 （记者刘霞）据美国每日科学网消息，英美科学家构造出一个高质量空腔来容纳一层超薄砷化镓，并通过一个磁场调谐砷化镓，使其同腔内特定状态的光发生共振，光和物质耦合在一起，形成了偏振子（Polariton），这些偏振子像一个整体那样行动。研究人员表示，这是他们迄今观察到的最强的光—物质耦合现象之一，有望促进量子计算机和通信技术的发展。

研究人员在发表于近期《自然·物理》杂志上的论文中指出，砷化镓由美国桑迪亚国家实验室科学家采用分子束外延方法合成。带领该研究的英国莱斯大学的小泉科诺（音译）说：“光和物质之间的耦合作用如此强烈，使光和物质混合成介于两者之间的物质——偏振子。二者的相互作用也会出现光—物质纠缠，这一点对量子应用很重要。”

科学家们使用所谓的真空拉比分裂来测量光—物质耦合的强度。研究人员李欣伟（音译）称：“在以前的空腔实验中，99%的光—物质耦合强度与所用光子能相比，几乎可忽略不计。最新实验中这个值为光子能的1/10，表明我们进入了所谓的超强耦合领域。这一点至关重要，因为如果最终真空拉比分裂比光子能大，物质会进入一种新基态，这意味着我们能采用这一方法，诱导一种相变（物质状态间的变化，比如从冰到水再到水蒸气），这对凝聚态物理学非常重要。”

小泉科诺解释称，进入腔内的太赫兹光很少，光—物质耦合依靠的是真空涨落。从量子学角度而言，真空里并不是什么都没有，而是充满了不断涨落的光子，它们拥有所谓的零点能，正是这些真空光子同腔内的电子发生了共振。这属于腔量子电动力学（QED）领域：腔增强了光，腔内物质能与真空场共振。固态QED的独特之处在于，光会同大量电子相互作用，这些电子就像单个大原子。另外，为了提升QED的功效，光—物质耦合越强越好。