《自然—物理学》：洪铭远等揭示表面等离激元的非经典近场动力学

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美国路易斯安那州立大学的Omar Magaña-Loaiza团队通过分析多粒子子系统，揭示了玻色子或费米子相干特性所定义的非经典动力学和散射效应。北京时间2024年2月29日，该成果以“Nonclassical near-field dynamics of surface plasmons”为题发表在国际知名期刊Nature Physics上。

美国路易斯安那州立大学量子光学实验室博士生洪铭远为该文第一作者，研究助理教授由成龙为该文通讯作者。

在过去二十年里，人们对了解表面等离激元极化子（玻色子和费米子耦合产生的准粒子）的量子特性产生了浓厚的兴趣。研究的重点是衰减等离激元场的物理原理及其在揭示光子系统中新形式量子相干性方面的潜力，以及探索电磁场中的量子真空涨落。尽管这些研究与量子物理学和技术发展息息相关，由于测量等离激元系统中单独的子系统的量子动力学所面临的困难，大部分研究仍停留在理论层面。量子光源的引入促进了具有非经典特性的量子等离激元系统的发展，包括探索波粒二象性和利用纠缠控制双光子干涉。最近的研究表明，等离激元和光子之间的多粒子散射改变了这些系统的量子统计特性。然而，表面等离激元宏观行为背后的孤立子系统的量子动力学在很大程度上尚未被探索。在最新的实验研究中，美国路易斯安那州立大学的Omar Magaña-Loaiza团队对等离激元系统近场动力学的测量，通过分析多粒子子系统，揭示了玻色子或费米子相干特性所定义的非经典动力学和散射效应。这些发现表明，这种量子力学效应可在等离激元平台上观测到，而不受多粒子散射的限制，揭示了等离激元近场的普适特性，对开发量子多体系统具有重大意义。

图1 承载多粒子散射的等离激元纳米结构

本研究利用金纳米结构来探测表面等离激元的非经典近场动力学，重点是通过穿过等离激元样品狭缝的热多光子场来控制等离激元场的激发。该方法利用热光场的经典性质（由真空和多光子波包的统计混合组成），用水平偏振光子选择性地激发等离激元近场。这种设置可以精确控制激发的等离激元场的强度，通过光子数分辨（PNR）探测器的测量，可以详细分析样品内部的散射过程。光子-等离激元多粒子系统的集体行为依托于一个详细的理论框架中，采用Glauber的P函数来表示态密度矩阵，从而提供了基于偏振和光子数的系统量子动力学的解释。此外，该研究还将经典等离激元波的动力学与其组成的多粒子子系统的动力学进行了对比，揭示了产生独特干涉模式的复杂量子相互作用。通过研究干涉光子和等离激元之间的相干性，研究确定了以玻色相干性或费米相干性为特征的多粒子动力学如何影响干涉条纹的可见性和性质。实验在远场测量包含真空涨落在内的不同光子数组成的量子子系统，为研究等离激元系统的量子相干性提供了新的方向。此外，这项研究展示了二阶相干系数如何随检测到的多粒子子系统而变化，说明了散射过程对于理解等离激元场的量子统计特性至关重要。这些发现不仅揭示了等离激元系统错综复杂的量子行为，还凸显了进一步探索纳米结构材料中量子相干性和多粒子动力学的潜力。

图2 观测等离激元系统中的类玻色子和类费米子相干过程

该团队证明了表面等离激元的经典近场动力学是由其组成的多粒子子系统之间的非经典散射过程定义的。实验将多粒子等离激元系统分离出来，证明它们的量子动力学受玻色子或费米子相干过程的影响。文章还讨论了由电磁场的真空涨落激发的等离激元场的量子相干特性。该团队的发现揭示了电磁近场的多粒子特性，对量子技术具有重要意义。

编辑 | 张可

排版 | 夏天

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《自然—物理学》：洪铭远等揭示表面等离激元的非经典近场动力学

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