成功实现物质与光相耦合，或将能在量子水平上，观察和控制物质！

洛桑联邦理工学院的科学家，已成功将一种新物质材料与单光子水平的光相耦合。这一成果为更好地控制和理解量子关联系统的性质开辟了新前景，在这些系统中，理论计算是困难的。有一大类材料被物理学家称为“强相关”，包括绝缘体和具有不同寻常电磁性质的电子材料，甚至包括中子星中的中子。它们的性质是因为成分相互作用非常强：

新的特征出现在集体层面，而这些新特征并不存在于孤立的粒子中。强相关材料的独特性质往往在技术上是有用的，因此被用于超导磁体和磁存储技术，也被用于新兴的“量子技术”。现在，由洛桑联邦理工学院物理研究所Jean-Philippe Brantut领导的科学家们，已经发现了第一种复杂、强关联的材料，其成分在单光子水平上与光耦合。

这种物质就是研究人员所说的“费米气体”，费米气体基本上是一种冷却到接近绝对零度的中性原子气体。在那里，与电子或中子属于同一粒子族的原子表现出类似的强关联效应。通过将这种费米气体放在两个高反射的光学镜面之间，即一个“光的盒子”，研究人员发现，与光的相互作用可以变得前所未有地强烈。研究人员现在将利用这一点来更好地控制和理解量子关联系统的性质，这也是理论计算很困难的地方。

相反，这可能允许进一步将强关联物质用于量子技术应用，其中与光的接口是前提条件。物质中的强量子关联产生了材料一些最非凡的性质，从磁性到高温超导，但它们在量子设备中的集成需要与光子强相干耦合，这在固态系统中仍然是一个巨大的技术挑战。在腔量子电动力学中，玻色-爱因斯坦凝聚或晶格气体等量子气体与光有很强的耦合。然而，到目前为止，无论是费米量子物质(与固体中的电子相当)，还是具有受控相互作用的原子系统，都没有与光子强烈耦合。

新研究在高精细腔中量子简并酉费米气体与光的强耦合，研究人员绘制了耦合系统的光谱，并观察到由于腔光子与气体每个自旋分量的强耦合而产生分辨率很好的修饰态，并研究了自旋平衡和自旋极化气体，发现与描述光-物质相互作用的定量计算一致，其系统在量子简并区提供了对原子-原子和原子-光子相互作用的完全和同时控制，也为量子模拟开辟了广阔的前景。

强相干的光-物质相互作用是新兴量子技术的核心，使人们能够在单量子水平上观察和控制物质。在多体系统中，当集体协作性Cn = 4Ng2/κΓ，也就是说，当光子相干散射到电磁场的一个特定模式，由高精细度谐振器挑选出来，支配非相干损耗过程时，就可以定量地达到这一点。这里g是单光子和单物质激发之间的耦合强度，N是相同发射体的数目，κ和Γ分别是光子和物质激发的非相干衰减率。

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博科园｜研究/来自：洛桑联邦理工学院

参考期刊《自然通讯》

DOI: 10.1038/s41467-020-16767-8

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