光或电磁波是一种在空间中传播和在时间上振荡的电场和磁场波。它是电磁场体系的一种激发态，其基态为真空，即没有振幅也没有光子存在。理论上，它在黑体辐射的情况下是电磁场的一种热平衡，即由镜面组成的一个空腔内的热辐射（图1）。然而，我们如何才能测量这种热辐射呢？
通常，我们会通过空腔镜上存在的一个小孔来观察辐射或测量其光谱，而这实际上并不完美。这种向外发射的热辐射不会强烈干扰空腔内的电磁场状态，并且可以认为其大致处于热平衡状态。
然而，在我们研究电磁波及其与物质的相互作用时，通常会考虑这种非平衡情况（能量在所关注的系统与其环境之间的流动）。

正如热力学和统计物理学所概括的，在热平衡下，这种物理现象可以得到简化。相比之下，在非平衡状态下则会出现丰富多样的物理现象。
例如，激光（通过辐射的受激发射实现的光放大）就是一种非平衡现象。当处于激发态的电子布居（电子的可能性）高于基态下的电子布居时，就产生了受激发射（图2）。这被称为粒子数反转，有时被解释为处于“负温度”状态，因为这种情况不是简单地在热平衡下得到的，温度在热平衡下基本上被定义为正的量。同样，我们可以在非平衡情况下实现各种现象，这一直是电磁波及其与物质相互作用研究的标准（就像是物理学中的其它领域一样），例如电子在材料中的传输、自旋电子学等。
因为非平衡情况下的物理现象相当丰富，各种（准）粒子（光子、电子、声子、磁振子等）都涉及到光-物质动力学，其中有些现象人们还未完全理解。例如，物质电磁辐射中的动力学现象通常相当复杂；不过，为了知晓材料内部发生了何种光诱导动力学现象，非常标准的做法就是首先对发射光谱进行测量。

在少数一些情况下（虽然不是一般情况），我们与测量团队合作，通过时间分辨光谱学和非线性光学响应（Bamba 等人、Bamba及Ishihara），从理论和实验上阐明了电磁辐射的机制（以及辐射前物质内部的光-物质动力学现象）。

一旦我们理解了现象产生的机制，接下来就可以考虑它们的应用。基于电磁波的物理特性及其与物质的相互作用，人们已经发展出了通信、成像、测量、太阳能发电、激光加工等多种应用，全球各地的许多研究人员都在努力提升这些应用的性能。

所谓的量子技术就是这样一个前沿研究领域。光（或其他波或粒子）的量子态，包括压缩光、纠缠光子、单光子等实现了高精度测量、高分辨率成像、高安全度通信、高性能运算等。例如，人们正在研究压缩光的产生和应用，以提高包括引力波在内的各种测量的精度。

光的各种量子态的产生也是这个研究领域的一个重要方面。我们已经通过理论和实验研究了如何更好地产生压缩光（点击此处阅读更多内容）、单光子（点击此处阅读更多内容）和纠缠光子（Bamba及Ishihara）。

通过对非平衡态光-物质的动力学研究，我们可以在丰富多样的动力学现象中发现普遍规律，也可以发现人类尚未意识到的新现象。我们相信，这些发现将增进我们对世界的理解，并能帮助我们更好地发展与人类和世界的福祉以及可持续发展相关的各种技术。