城大物理學(xué)家開創(chuàng)嶄新光誘導(dǎo)物質(zhì)的量子理論，打開尖端光學(xué)技術(shù)發(fā)展大門
香港城市大學(xué)（城大）的物理學(xué)家最近提出一套嶄新的量子理論，能夠解釋物質(zhì)的「光誘導(dǎo)相」並預(yù)測其新穎的功能。該全新理論有望為量子物理學(xué)領(lǐng)域和室溫下的量子調(diào)控帶來潛在的革命性的突破，並且為以光作為基礎(chǔ)的新一代科技發(fā)展，例如光通信、量子電腦計算及光採集技術(shù)，打開了新大門。
科學(xué)家們早已發(fā)現(xiàn)，物質(zhì)除了傳統(tǒng)的固相、液相和氣相之外，尚存在其他奇異的相（exotic phases）。物質(zhì)不同的「相」，會對應(yīng)原子不同的空間排列方式，因而物質(zhì)會呈現(xiàn)出不同的特性。「光誘導(dǎo)相（light-induced phases）」作為一種全新的「相」，近十年來引起了科學(xué)家們廣泛的關(guān)注。它被視為有潛質(zhì)的新平臺，幫助開發(fā)新一代的光伏太陽能板、化學(xué)平臺以及現(xiàn)代量子技術(shù)。
圖片來源：香港城市大學(xué)張哲東博士
領(lǐng)導(dǎo)這次研究的城大物理系助理教授張哲東博士說：「光敏分子的超快過程如電子轉(zhuǎn)移和能量重新分配，發(fā)生時間通常屬於飛秒（10-15秒）級別。這快速的變化對發(fā)展捕光裝置、能量轉(zhuǎn)換和量子計算均具有廣泛的重要性。」他續(xù)說：「然而，對這些光敏分子超快過程的研究，過往一直充滿著模糊不清和問題。現(xiàn)時大多數(shù)有關(guān)光誘導(dǎo)相的理論都受到時間和能量尺度的瓶頸的制約。因此在超快的光脈衝的作用下，現(xiàn)有理論無法充分解釋分子呈現(xiàn)的瞬變特性和超快過程。這對物質(zhì)光誘導(dǎo)相的探索帶來了根本的限制。」
為了解決這些難題，張博士和合作者為分子光誘導(dǎo)相以及相應(yīng)的光信號，發(fā)展了一套嶄新的量子理論，屬全球首創(chuàng)。這套新理論透過嚴格的數(shù)學(xué)分析和數(shù)值模擬，解釋了分子在光激發(fā)下，實時的激發(fā)態(tài)動力學(xué)和光學(xué)特性，並成功克服了現(xiàn)有理論和技術(shù)的瓶頸。
這套新的量子理論將超快光譜學(xué)與量子電動力學(xué)相結(jié)合，並使用近代代數(shù)技巧來計算分子的非綫性動力學(xué)，為開發(fā)激光和材料表徵等高新技術(shù)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，繼而有助為光學(xué)檢測和量子計量學(xué)帶來新的設(shè)計原理。
「我們的新量子理論最吸引人的地方，在於發(fā)現(xiàn)了一群多個分子的協(xié)同運動呈現(xiàn)一種類似波（wave）的特性，能擴散至一定的距離之外。這在傳統(tǒng)研究中是無法實現(xiàn)的。而這種分子的集體運動甚至能夠穩(wěn)定存在於室溫之中，而不是像以往那樣只能於超低溫的環(huán)境下出現(xiàn)。這意味著在室溫下對粒子運動作出精準的控制和感應(yīng)，在現(xiàn)實上是可行的。這些或可開闢新的研究領(lǐng)域如集體驅(qū)動的化學(xué)（collectivity-driven chemistry），將為光化學(xué)的研究帶來革命性的轉(zhuǎn)變。」張博士補充道。
新的量子理論亦有助於指導(dǎo)設(shè)計下一代的捕光及光發(fā)射器件，以及改良激光的操作和檢測。通過光誘導(dǎo)分子的協(xié)同作用衍生出的相干性，更可以給出高亮度的輻射光源。研究中針對物質(zhì)的光誘導(dǎo)相發(fā)展的光譜探測技術(shù)，則可以幫助開發(fā)新一代的光學(xué)傳感技術(shù)和量子計量方法。
從宏觀的角度來看，「光誘導(dǎo)相」更有可能實現(xiàn)一系列基於光技術(shù)的新穎跨領(lǐng)域應(yīng)用，例如光通信、生物成像、化學(xué)催化控制，以及設(shè)計節(jié)能的捕光器件。
圖片來源：香港城市大學(xué)張哲東博士
在不久的將來，研究人員將進一步探索多種量子材料中的光誘導(dǎo)相及其效應(yīng)，並將基於量子糾纏發(fā)展新型光譜技術(shù)和檢測方法。
上述的最新研究結(jié)果發(fā)表於科學(xué)期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters），標題為〈Multidimensional coherent spectroscopy for molecular polaritons: Langevin approach〉。
張博士是該研究論文第一作者，他和美國加州大學(xué)爾灣分校的Shaul Mukamel教授均為通訊作者。其他合作的學(xué)者包括城大材料科學(xué)及工程學(xué)系的雷黨願博士，以及新加坡國立大學(xué)量子技術(shù)中心就讀的博士生聶嘯宇先生。研究的主要資金來源包括香港研究資助局和中國國家自然科學(xué)基金。