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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的Omar Maga?a-Loaiza團隊通過分析多粒子子系統，揭示了玻色子或費米子相干特性所定義的非經典動力學和散射效應。北京時間2024年2月29日，該成果以“Nonclassical near-field dynamics of surface plasmons”為題發表在國際知名期刊Nature Physics上。

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

在過去二十年里，人們對了解表面等離激元極化子（玻色子和費米子耦合產生的準粒子）的量子特性產生了濃厚的興趣。研究的重點是衰減等離激元場的物理原理及其在揭示光子系統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和技術發展息息相關，由于測量等離激元系統中單獨的子系統的量子動力學所面臨的困難，大部分研究仍停留在理論層面。量子光源的引入促進了具有非經典特性的量子等離激元系統的發展，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的量子統計特性。然而，表面等離激元宏觀行為背后的孤立子系統的量子動力學在很大程度上尚未被探索。在最新的實驗研究中，美國路易斯安那州立大學的Omar Maga?a-Loaiza團隊對等離激元系統近場動力學的測量，通過分析多粒子子系統，揭示了玻色子或費米子相干特性所定義的非經典動力學和散射效應。這些發現表明，這種量子力學效應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，對開發量子多體系統具有重大意義。

圖1 承載多粒子散射的等離激元納米結構

本研究利用金納米結構來探測表面等離激元的非經典近場動力學，重點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。該方法利用熱光場的經典性質（由真空和多光子波包的統計混合組成），用水平偏振光子選擇性地激發等離激元近場。這種設置可以精確控制激發的等離激元場的強度，通過光子數分辨（PNR）探測器的測量，可以詳細分析樣品內部的散射過程。光子-等離激元多粒子系統的集體行為依托于一個詳細的理論框架中，采用Glauber的P函數來表示態密度矩陣，從而提供了基于偏振和光子數的系統量子動力學的解釋。此外，該研究還將經典等離激元波的動力學與其組成的多粒子子系統的動力學進行了對比，揭示了產生獨特干涉模式的復雜量子相互作用。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米相干性為特征的多粒子動力學如何影響干涉條紋的可見性和性質。實驗在遠場測量包含真空漲落在內的不同光子數組成的量子子系統，為研究等離激元系統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如何隨檢測到的多粒子子系統而變化，說明了散射過程對于理解等離激元場的量子統計特性至關重要。這些發現不僅揭示了等離激元系統錯綜復雜的量子行為，還凸顯了進一步探索納米結構材料中量子相干性和多粒子動力學的潛力。

圖2 觀測等離激元系統中的類玻色子和類費米子相干過程

該團隊證明了表面等離激元的經典近場動力學是由其組成的多粒子子系統之間的非經典散射過程定義的。實驗將多粒子等離激元系統分離出來，證明它們的量子動力學受玻色子或費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的等離激元場的量子相干特性。該團隊的發現揭示了電磁近場的多粒子特性，對量子技術具有重要意義。

編輯 |?張可

排版?|?夏天

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《自然—物理學》：洪銘遠等揭示表面等離激元的非經典近場動力學

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《自然—物理學》：洪銘遠等揭示表面等離激元的非經典近場動力學

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