通过光与物质的耦合实验观察一种较为隐蔽的效应

为了简化计算,“旋转波”近似被普遍应用于涉及光与物质耦合的多种问题。这种近似指出,在量子理论给出的近似图像中,物质可以通过吸收光子而被激发到更高的能级,但这绝不可能通过发射光子来实现。然而,20世纪40年代的理论物理学家预测,在光强度高到足够与物质发生极为强烈地耦合的某些情况下,这种近似会失效。在这种情况下,出现的结果是物质共振频率的偏移,即布洛赫-西格特频移 (Bloch-Siegert shift)。
我们的研究标志着在嵌有固态系统的空腔中对真空布洛赫-西格特频率移进行的首次实验测量,这种频移甚至会在零光强的极限情况下出现。我们使用固体砷化镓中的二维电子气,并施加一个强交变磁场,迫使电子在特定方向上做圆周运动(回旋运动)。电子与“真空”腔场混合成一种称为极化子的准粒子。在这一设置下,我们精确地测定了旋转波近似的失效特征,这只有在高质量的腔中进行光与物质的极强耦合才可能实现。在本实验的结果中,我们观察到极化子的共振频率发生了意外的偏移。
随后,我们通过理论分析表明这种频移是电子与真空腔场之间的耦合强度超出旋转波近似而引起的真空布洛赫-西格特频移。更具体地说,这种频移表现在沿着电子的反方向旋转的圆偏振光的光谱中。与在同一方向上旋转的光与电子之间的耦合特征相比,这种频移很难被观察到,而前者很容易被观察到,并且已经得到了广泛的研究。
由上述过程引起的真空布洛赫-西格特频移涉及物质自发地激发到更高的能量状态,并伴随着光子的发射。因此,我们的结果提供了“虚拟光子”存在的间接证据,即便是处于最低能量状态——基态的体系。最重要的是,这一过程抑制了光子的量子涨落,也称“量子压缩”。在目前的情况下,“虚拟光子”的量子涨落即使在基态下也能被稳定地压缩,这是一项重大成果。
因此,我们相信我们的研究可能会彻底变革与量子计算和量子传感相关的现有技术。这将有望为量子化学、医学、材料科学、电子学等许多领域带来突破。

论文标题:

Origin of strong photon antibunching in weakly nonlinear photonic molecules

作者:

Xinwei Li, Motoaki Bamba , Qi Zhang, Saeed Fallahi, Geoff C. Gardner, Weilu Gao , Minhan Lou, Katsumasa Yoshioka, Michael J. Manfra and Junichiro Kono

DOI:

10.1038/s41566-018-0153-0

论文链接:

https://doi.org/10.1038/s41566-018-0153-0