光與物質的耦合探索

圖所示為白光反射率譜記錄在填充因子2/3附近，顯示了光耦合到量子霍爾態的清晰特徵。圖片來源：蘇黎世聯邦理工大學。

在被稱為極化子的准粒子中，光和物質的狀態是強耦合的。Ata? ?mamo?lu教授的團隊現在開發了一種新的方法來研究強相關電子態中極性子的非線性光學性質。在這樣做的同時，他們為探索偏振態的兩種成分開闢了新的視角：光子器件的新功能和對奇異物質狀態的基本洞察。

「准粒子」的概念是描述許多系統中出現的複雜現象的一個非常成功的框架。半導體材料中的極性子是近年來引起人們特別關注的一種准粒子。它們是通過將光照射到半導體上產生的，在半導體中，光子激發電子極化波，稱為激子。在創造過程的後面是一個時期，在此期間，系統的動力學可以描述為一個既不是光也不是物質的類粒子實體，而是兩個實體的疊加。只有當這些混合的光物質准粒子在皮秒的時間尺度上衰變時，光子才會恢復其個人身份。Patrick Knüppel和蘇黎世理工大學物理系的Ata? Imamoglu教授團隊的同事們在《自然Nature》雜誌上撰文，描述了實驗中釋放的光子揭示了他們剛剛離開的半導體的獨特信息；同時噸已被修改的方式不可能沒有與半導體材料的相互作用。

光子的新技巧

最近人們對北極星的興趣主要來自於它們在光子學領域開闢了一個有趣的新領域。具體來說，極化提供了一種方法，讓光子做一些光子不能自己做的事情：相互作用。光線通常互相穿過。相反，束縛在北極星上的光子可以通過後者的物質部分相互作用。一旦這種相互作用變得足夠強，光子的特性就可以以新的方式加以利用，例如量子信息處理或新型光學量子材料。然而，實現足夠強大的交互對於此類應用程序來說並不意味著壯舉。

它首先從創造極化開始。承載電子系統的半導體材料必須放置在光腔中，以便於物質和光之間的強耦合。Imamoglu的團隊多年來一直在與其他人合作，特別是與蘇黎世理工大學物理系的Werner Wegscheider教授團隊合作，創造這樣的結構。另一個挑戰是使極化之間的相互作用足夠強，使它們在准粒子的短壽命內具有相當大的作用。如何實現如此強的極性-極性相互作用是目前該領域的一個重大開放性問題，阻礙了實際應用的進展。這裡是Knüppel等人。現在他們的最新工作作出了重大貢獻。

強相互作用的霍爾標誌

蘇黎世聯邦理工大學物理學家發現了一種意想不到的方法來增強極性子之間的相互作用，即通過適當地準備光子將要與之相互作用的電子。具體地說，它們開始於電子最初處於所謂的分數量子霍爾（fractional quantum hall）狀態，即電子被限制在二維空間並暴露在高磁場中，形成完全由電子-電子相互作用驅動的高度相關態。對於確定了表徵量子霍爾態的所謂填充因子的外加磁場的特定值，他們觀察到光子照射在樣品上並從樣品中反射，顯示出光學耦合到量子霍爾態的清晰特徵。

重要的是，光信號對電子系統填充因子的依賴性也出現在信號的非線性部分，這是極性子相互作用的一個強指標。在分數量子霍爾體系中，極化子-極化子相互作用比在該體系外的電子實驗強10倍。相對於目前的能力而言，這種一個數量級的增強是一個顯著的進步，並且可能足以使「極化學」的關鍵演示得以進行（如強極化封鎖）。這一點與Knüppel等人的實驗一樣重要。與之前的許多嘗試相比，交互作用的增加並不是以犧牲極化壽命為代價的。

非線性光學的力量和挑戰

除了操縱光的意義外，這些實驗還將二維電子系統的許多體態的光學特性提升到一個新的水平。它們確定了如何將微弱的非線性對信號的貢獻從主要線性貢獻中分離出來。這已經通過蘇黎世聯邦理工大學研究人員開發的一種新型實驗得以實現。一個主要的挑戰是處理必須用相對大功率光照亮樣品的要求，以調整微弱的非線性信號。為了確保撞擊半導體的光子不會對電子系統造成不必要的修改，特別是俘獲電荷的電離，Imamoglu-Wegscheider團隊設計了一種降低了對光敏感度的樣品結構，並用脈衝激勵，而不是連續激勵，以盡量減少暴露在光下。

現在開發的用於測量量子霍爾態非線性光學響應的工具集應能使人們對線性光學測量或傳統傳輸實驗的可能性有新的認識。對於那些研究光子激發與二維電子系統之間相互作用的人們來說，這是一個受歡迎的消息——二維電子系統是一個不缺少開放的科學問題的領域。

來源：https://phys.org/news/2019-07-coupled-exploration.html

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