光呈現(xiàn)的量子流體圖像簡(jiǎn)析

探測(cè)半導(dǎo)體微腔中準(zhǔn)粒子的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步揭示了光的量子流體動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。

流體無(wú)摩擦流動(dòng)的能力，即超流性，并不局限于流體動(dòng)力學(xué)所描述的系統(tǒng)。十多年前，研究人員開始對(duì)超流體和其他量子流體產(chǎn)生興趣，這是因?yàn)樵诜蔷€性介質(zhì)中傳播的光可以表現(xiàn)出量子流體動(dòng)力學(xué)的特征。相關(guān)的研究通常在兩種場(chǎng)景下進(jìn)行：半導(dǎo)體微腔對(duì)光子形成的約束，以及體介質(zhì)中光子的傳播幾何行為。

這兩種情況下都允許光子獲得有效質(zhì)量并實(shí)現(xiàn)有效的相互作用，從而在整體上表現(xiàn)為量子流體。然而，對(duì)這些奇異狀態(tài)的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)受到實(shí)驗(yàn)上的限制，特別是對(duì)于作為量子流體行為標(biāo)志的集體激發(fā)，在探測(cè)上存在一定的困難。最近，法國(guó)索邦大學(xué)Kastler-Brossel實(shí)驗(yàn)室(LKB)的Ferdinand Claude等對(duì)半導(dǎo)體微腔中極化激元形成的量子流體進(jìn)行了前所未有的詳細(xì)描述。

激光脈沖(紅色)通過(guò)光泵浦在半導(dǎo)體微腔中產(chǎn)生極化激元，通過(guò)測(cè)量波長(zhǎng)可調(diào)諧探測(cè)脈沖在不同入射角下的反射率，可以獲得具有量子流體特征的極化激元色散曲線

當(dāng)用頻率與腔共振模式相匹配的電磁波照射半導(dǎo)體微腔時(shí)，垂直于腔平面的波矢分量將被量子化，在色散關(guān)系中表現(xiàn)出可以賦予光子有效質(zhì)量的二次依賴性。激光照射產(chǎn)生的激子與微腔中光子相干耦合產(chǎn)生的極化激元兼具光子和激子的特性(其質(zhì)量由激子有效質(zhì)量和光子有效質(zhì)量決定)，它們之間通過(guò)激子—激子耦合相互作用。這些極化激元的集體行為表現(xiàn)為大量相互作用的粒子流，即量子流體，從中已經(jīng)觀察到了從玻色—愛因斯坦凝聚到超流的量子流體行為。

腔極化激元和二維量子流體的時(shí)間演化均可由所謂的Gross—Pitaevskii方程來(lái)描述。量子流體行為的一個(gè)標(biāo)志是集體激發(fā)的存在，在靜止流體表面形成傳播的小密度擾動(dòng)。這種傳播由類似博戈留波夫(Bogoliubov)的色散關(guān)系描述，該關(guān)系具有類聲區(qū)域(大空間尺度上的線性能量—?jiǎng)恿筷P(guān)系)和類自由粒子區(qū)域(小尺度上的拋物線關(guān)系)。Claude等人的工作專注于這些集體激發(fā)(Bogoliubov波)的定量測(cè)量。對(duì)于給定的泵浦能量，他們測(cè)量在不同角度入射(波長(zhǎng)可調(diào)諧)的探測(cè)光束的反射率，如圖所示。對(duì)于每個(gè)角度，當(dāng)探測(cè)光與極化激元的集體激發(fā)共振時(shí)，反射率譜中都會(huì)出現(xiàn)一個(gè)凹陷，因此可以用不同的波矢量表征Bogoliubov激發(fā)，從而重建色散關(guān)系。

在超流體中，Bogoliubov色散關(guān)系有兩個(gè)分支，一個(gè)是正常色散，一個(gè)是負(fù)色散，也被稱為幽靈分支。后一個(gè)分支之所以得名，是因?yàn)樗茈y激發(fā)，因此也很難觀察。在先前的工作中，LKB的研究人員已經(jīng)在微腔反射率測(cè)量中找到了這種幽靈分支的蹤跡，現(xiàn)在這項(xiàng)新工作進(jìn)一步改善了兩個(gè)分支的表征，特別是對(duì)于迄今為止表征不佳的色散曲線區(qū)域，并觀察到流體密度和其他參數(shù)如何影響波速的新細(xì)節(jié)，以及各種流體不穩(wěn)定性的建立過(guò)程。

這項(xiàng)工作使量子流體的研究獲得了更高程度的實(shí)驗(yàn)控制，為更廣泛的極化流體定量研究鋪平了道路。通過(guò)探測(cè)與標(biāo)準(zhǔn)量子流體行為的微小偏差，該項(xiàng)技術(shù)將進(jìn)一步促進(jìn)有關(guān)量子流體動(dòng)力學(xué)的研究。更重要的是，它有可能使極化激元系統(tǒng)能夠用作引力的光學(xué)模擬，模擬與天體物理學(xué)、宇宙學(xué)和量子引力相關(guān)的難以探測(cè)的現(xiàn)象。

審核編輯：劉清