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超强激光科学卓越创新简报

(第四百三十三期)

2023年10月16日

上海光机所在合作激子气体中集体辐射相位的非经典扰动响应研究方面取得进展

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所董红星研究员和华东师范大学徐红星教授、谢微教授的合作团队在量子点超晶格体系中开发了一种新方法，通过主动在合作激子的超荧光量子态上施加可控扰动，研究其非经典反馈响应，以此探索宏观偶极辐射相位的抗干扰能力。相关工作以“Perturbation-driven echo-like superfluorescence in perovskite superlattices”为题发表在Advanced Photonics上。

当多个粒子或者准粒子被限制在辐射光半波长范围内时，处于激发态的高密度偶极振子气体通过交换虚光子建立关联并形成宏观偶极辐射相位，从而诱导集体辐射，即超荧光。其典型特征是辐射的荧光瞬时功率与合作粒子数平方成正比，辐射持续时间则与合作粒子数成反比。尽管偶极振子系综的集体辐射效应已在多种系统中实现，但合作偶极振子系综对外界扰动的响应性质至今仍无报导。探索宏观量子态对扰动的反馈响应是一种研究量子关联和协同合作特征的重要方法。相应的研究对于深入探索粒子多体关联机制以及调控集体合作行为具有重大意义。例如，在玻色-爱因斯坦凝聚系统中，缺陷可以诱导出量子涡旋；在超流系统中，超流体可以“绕开杂质”几乎无散射损耗的流动。但以往关于超荧光偶极振子体系的研究主要侧重于研究宏观偶极辐射相位自身的演化特性，合作偶极振子对外界扰动的反馈机制和响应特征有待探究和揭示。

研究团队基于高密度量子点系综的合作辐射，通过光学激发手段向系统中注入额外的热偶极振子，从而实现对原有体系合作偶极振子的可控扰动。利用超快时间分辨显微光谱技术对扰动结果的实时探测，研究发现，新加入的热偶极振子引发的虚光场会先破坏原有的虚光子交换进程，然后在体系中重新建立新的统一的虚光场，从而同步所有辐射偶极振子的跃迁状态，形成宏观偶极辐射相位。这种破坏-重建的过程很短(~10 ps)。此外，研究团队还探讨了此扰动响应的温度依赖性：当温度升高至100K以上，由于偶极振子之间的相互关联性减弱，类似的扰动效果也相应减弱或消失，这可作为判断系统是否进入合作辐射相区间的重要判据之一。由于激发光场的直接调控具有多参量精细调节、非接触、非结构破坏等优点，将此方法应用于多体辐射系综宏观偶极辐射相位的扰动反馈和抗干扰研究，可以深入理解偶极振子合作的物理机理，更全面地揭示集体合作态的量子关联特性。这项研究为我们理解和控制量子系统提供了新的视角和工具，并有望进一步推动辐射偶极振子的超快调控以及相关光学元器件的开发。

该工作得到了国家自然科学基金，上海市青年拔尖人才计划等项目的支持。

原文链接

图1 合作激子在外界扰动下的荧光辐射动力学实验数据。在不同时刻引入相同扰动，系统表现出不同的反馈效果。下图为物理机理图像，扰动破坏原有的虚光场，并重新建立新的虚光场和全局辐射相位。

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