等离激元系统内光子的量子统计特性的重要进展

约20年前，研究人员对纠缠光子的等离激元辅助传输的观察催生了量子等离激元领域。多年后，单光子与金属和电介质之间界面处的电荷振荡的耦合导致了单个表面等离激元的产生。这些发现揭示了激发具有量子力学特性的表面等离激元的可能性。从那时起，等离激元系统的量子统计特性的守恒构成了量子等离激元领域的广为接受的假设。此外，等离激元系统的量子涨落被认为独立于其他特性，如偏振、时间和空间相干性。迄今为止，物理学家和工程师一直依靠这些假设来开发用于量子控制、传感和信息处理的等离激元系统。

在最新的实验研究中，该团队证明了在等离激元系统中玻色子的量子统计特性并不总是守恒，并以此为基础提出了可以利用等离激元结构来调节物理系统的量子统计涨落。控制多粒子系统的潜在量子涨落的可能性对量子等离激元设备的实际应用具有重要意义。

近期，美国路易斯安那州立大学的Omar Magaña-Loaiza团队在等离激元系统（plasmonic system）内光子的量子统计特性的研究工作中取得重要进展。近年来，学者们一直认为玻色子的量子统计特性在等离激元系统中是守恒的。然而在最新的研究中，该团队与四所大学的研究人员合作，在金属纳米双缝结构中通过等离激元实验验证了在等离激元系统中多粒子系统的量子统计并不总是守恒，并创新性地提出通过在等离激元系统中调节近场来产生不同种类的光。该成果以“Observation of the modification of quantum statistics of plasmonic systems”为题发表在国际知名期刊Nature Communications上。

该团队揭示了光子和表面等离激元之间的散射会引起多粒子干涉效应，从而导致等离激元系统激发模式的改变。如图1(a)所示，在等离激元结构中发生的多粒子散射过程可以通过其附近的受限近场的强度来控制，因此可以利用受限近场引起的额外干涉路径调节等离激元系统的量子统计特性。实验中研究人员使用如图1(b)中所示的金属双缝等离激元结构来验证这一观点。

图1:理论示意图及实验装置图

等离激元近场的强度是通过入射光子的偏振来控制的，等离激元近场仅可被沿水平方向极化的光子激发。基于上述理论，团队探索了由热态多光子系统照射的等离激元双缝结构中量子统计的调节。如图2(e)-(h)的概率分布所示，空间相干性的改变确实伴随着等离激元系统的量子涨落的改变。这种效应以前没有被观察到，这是因为在过去的实验中使用的测量设备对这种等离激元结构支持的多粒子动力学不敏感。团队的工作揭示了光学近场作为操纵多粒子量子系统的额外自由度的潜力。

图2:等离激元系统内光子的量子统计特性调控

美国路易斯安那州立大学量子光学实验室博士后研究员由成龙、博士生洪铭远为该文共同第一作者，Omar Magaña-Loaiza为该文通讯作者。