光子盒研究院

近期，由香港城市大学（城大）物理学家领导的团队开发了一个新的量子理论，解释了物质的“光诱导阶段(light-induced phase)”，并预测了它的新功能。

3月初，研究成果以Multidimensional Coherent Spectroscopy of Molecular Polaritons: Langevin Approach为题，发表在《物理评论快报》上。

张哲东博士（右二）和他在香港城市大学的研究小组。张博士是该论文的第一作者，他和加州大学欧文分校的Shaul Mukamel教授是通讯作者。合作者包括城大材料科学与工程系的雷党愿博士，以及目前在新加坡国立大学量子技术中心学习的聂啸宇先生。该研究的主要资金来源包括香港研究资助局和中国国家自然科学基金。

这个新理论有可能彻底改变量子光子学和室温下的量子控制领域，它还为各种基于光的下一代应用打开了大门，如光通信、量子计算和光收集技术。

科学家们已经发现了物质中的奇异相(exotic phase)，除了通常的相之外，还存在固相、液相和气相。而在不同的相中，原子在空间中经历了某些排列，使得物质可能具有不同的属性。作为新发现的相的一个类别，光诱导相(light-induced phase)在过去十年中引起了科学家的广泛关注，因为它们被认为是新的光伏板和新的化学平台的一个有希望的平台，也是现代量子技术的一个新途径。

“光活性分子的超快过程，如电子转移和能量再分配，通常在飞秒级（10-15秒），对光收集装置、能量转换和量子计算具有广泛的重要性。”关于此次成就，领导这项研究的城大物理系助理教授张哲东博士解释说：“然而，这些过程的研究充满了不确定性。大多数现有的与光诱导阶段有关的理论都受到时间和能量尺度的瓶颈限制，因此无法解释短激光脉冲发挥作用时分子的瞬时特性和超快过程。这些给探索物质的光诱导相带来了根本的限制。”

为了解决这些困难，张博士和他的合作者为分子的光诱导相的光学信号开发了一个新的量子理论——这在世界上是第一次。新理论通过数学分析与数值模拟相结合，实时解释了分子的激发态动力学和光学特性，克服了现有理论和技术带来的瓶颈。

新理论将先进的量子电动力学融入超快光谱学：它使用近代代数来解释分子的非线性动力学，这为开发最先进的激光和材料表征的技术应用奠定了基础。因此，它为光学检测和量子计量学提供了新的原则。

基于新量子理论给出的分子光诱导相的时间分辨光谱示意图。在激光脉沖激发分子后，探测器会收集光幅信号，从而实时获得激子动力学的多维动态成像。

“我们的新理论特别令人着迷的是，一个分子团的合作运动显示出类似于波的行为，并在一定距离内扩散。这在传统研究中是无法实现的。而且这种集体运动可以在室温下存在，而不是以前只在超低的低温下存在。这意味着在室温下对粒子运动的精确控制和感应可能是可行的。”张博士说：“这可能会开辟新的研究领域，如集体驱动的化学；甚至，有可能彻底改变光化学的研究。”

新的量子理论促进了下一代光收集和发射装置的设计，以及激光操作和检测。从光诱导的分子合作性中出现的相干性可能导致光的明亮发射，研究中对光诱导的物质相位的光谱探测可以帮助利用下一代光学传感技术和量子计量学。

在更大的范围内，光诱导相可能实现各种基于光的新型跨学科应用，如光通信、生物成像、化学催化的控制，以及以节能的方式设计光收集装置。

在不久的将来，研究人员计划探索光诱导相及其对量子材料的影响，并在量子纠缠的背景下开发新的光谱技术和检测。

参考链接：

[1]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.103001

[2]https://www.cityu.edu.hk/research/stories/2023/06/23/cityu-physicist-develops-novel-quantum-theory-light-induced-matter-opening-door-cutting-edge-optical-technologies

[3]https://www.techexplorist.com/new-quantum-theory-explains-light-induced-phase-matter/62944/

[4]https://phys.org/news/2023-06-physicists-quantum-theory-light-induced.html