量子统计等离激元超晶格

《Nature》：Quantum statistical plasmonic metacrystals

　　

工程化控制多粒子动力学的材料仍然具有挑战性，因为多粒子相互作用通常会产生难以预测的复杂涌现行为。在此研究人员引入了量子统计等离激元超晶格（Quantum statistical plasmonic metacrystals），这是一种由光学近场介导的多粒子动力学产生禁止量子统计带（forbidden quantum statistical bands）的结构，能够实现不同类型光的选择性传输。该功能源于由纳米天线（nanoantennas）作为超原子（meta-atoms）组成的等离激元结构。处于允许带（allowed bands）内的具有统计特性的多光子场无失真传播，而禁止带内的场被抑制或被驱动至最近的可用统计态。研究人员表明这些带由超原子的几何形状及其集体排列决定，为工程化量子统计输运提供了确定性途径。该平台建立了一种对本征敏感于多体光子系统量子相干（quantum coherence）的室温量子材料，使其能够进行鲁棒的操纵与输运。研究结果对能量收集（energy harvesting）和可扩展多体量子技术的相干敏感光子材料具有重要意义。

研究背景方面，现代半导体技术建立在材料本征能带结构及精密工程能力之上，光子晶体的发展为紧凑量子技术奠定基础。超表面（metasurfaces）虽在单光子发射器集成及频率、偏振、轨道角动量操控方面取得进展，且纠缠光子对相关研究也有报道，但如何在超表面上控制更大规模多粒子系统以实现可扩展量子技术仍是未解难题。现有材料尚未表现出对多光子系统统计涨落或相干性质的敏感性，基于多光子系统量子相干的操作用于此前未能实现。鉴于控制元表面大规模多粒子系统对可扩展量子技术的巨大意义，研究人员开展了量子统计等离激元超晶格的研究。该研究首次展示了在室温下对本征敏感于定义所有光形式的量子统计性质的量子材料，其超原子排列产生量子统计带（quantum statistical bands），依据量子相干（quantum coherence）实现光的选择性传输，响应由超原子几何及晶格集体排列主导，允许统计带支持多光子场鲁棒无失真传播，禁止统计涨落被抑制，该材料对能量收集及超越低温环境的多体量子技术具有直接意义，论文发表于《Nature》。

关键技术方法方面，研究人员采用聚焦离子束（Ga ion beam milling）在110纳米厚金膜玻璃基底上制备含耦合光栅及100个尺寸200×400纳米、间距1微米、取向各异的纳米天线超晶格样品；实验使用780纳米连续激光经旋转毛玻璃散射耦合至多模光纤制备相干至超热光（g⁽²⁾(0)为1至3）的多光子源，通过光栅激发表面等离激元（surface plasmons）入射超晶格，利用可调节望远镜成像系统在不同傍近场（paraxial near-field）平面收集垂直出射光，采用光子数分辨（Photon-number-resolving, PNR）探测器进行二阶相干度测量以表征统计带响应。

研究结果部分，Main小节指出，与半导体及光子晶体能带类似，等离激元超晶格中超原子周期排列引发的多粒子干涉对光统计涨落敏感，形成允许与禁止量子统计带，其响应由几何决定，允许带内多光子场（如g⁽²⁾(0)=3的超热光、g⁽²⁾(0)=2的热光、g⁽²⁾(0)=1的相干光）无失真传输，禁止带内场（如g⁽²⁾(0)=2.15超热光被热化至2.58，g⁽²⁾(0)=1.25亚热光被热化至1.50）被滤波或热化至最近允许带；通过公式(1)与(2)描述输出态及强度矩，超原子尺寸设定二阶相干度取值，数量与相对取向调控统计带宽，亚波长孔径抑制高阶多极振荡产生局域等离激元超原子，相同取向致不可区分多粒子干涉、不同取向致可区分多极效应；实验验证在傍近场晶体内深度（crystal depth）内统计带稳定，远场重叠致g⁽²⁾增加；Fig. 1展示由100纳米天线超原子组成的等离激元超晶格操作及实验装置与SEM结构；Fig. 2观测到明确允许与禁止统计带对不同g⁽²⁾(0)光源的滤波与热化行为；Fig. 3表明任意等离激元结构（如分束器）无统计带敏感性，而超原子集体排列产生统计带，孔径减小抑制多极动力学致更宽禁止带；Fig. 4证实统计带在晶体深度内鲁棒保持，提取的四粒子子系统及允许超热带蒸馏多粒子系统在固有损耗下概率恒定，验证多光子量子态高效输运机制。

讨论与结论总结方面，研究人员得出等离激元超晶格中多粒子动力学产生依量子相干选光的允许与禁止带，隙由超原子几何与排列主导，尺寸定相干取值、数量与取向控带宽，禁止涨落无法传播、允许带场鲁棒无失真传输，该室温量子材料对光量子相干本征敏感，为太阳能转换滤波及室温多体量子技术操纵奠定基础，其涌现对能量科学与量子技术具深远影响，允许统计带优化量子相干以提升光伏输运效率，并为鲁棒多体量子技术如恒时变换提供平台。

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