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量子统计等离子体超晶体

Nature2026年7月15日 00:00

现代世界是由半导体技术塑造的,这些技术基于材料的固有带结构,以及我们精准工程化这些结构的能力。四十年前光子晶体的出现不仅改变了光学领域,还为紧凑的量子技术奠定了基础。用二维纳米结构(通常称为超表面)替代笨重的光学装置的可能性激发了广泛的兴趣,探索它们在制备、操控和检测量子光场方面的潜力。然而,到目前为止,大多数实现都着眼于将单光子发射器与超表面集成并操控多个自由度,比如频率、偏振和轨道角动量。对于纠缠光子对也有类似的努力报道。然而,考虑到在超表面上操控更大多粒子系统对可扩展量子技术的巨大影响,许多持续的努力旨在证明这一能力。然而,目前为止,这个目标仍然 elusive。多光子量子系统的兴趣源于它们承载的复杂干涉现象,这在量子信息技术中尤其有价值。这些干涉过程的性质依赖于多光子系统的量子相干特性,而这些特性又取决于相应光场的量子统计特征。这些基本特性定义了不同种类的光,比如单光子源、相干光和热光。与其他自由度(如偏振或频率)不同,使用光子超表面可以进行调查和过滤,多光子系统的统计特性无法直接获取。到目前为止,它们的鉴别需要表征整个多光子系统的集体行为。因此,尚未有材料展示出对多光子系统的统计波动或相干特性的敏感性。因此,基于多光子系统的量子相干性实施操作到目前为止仍然无法实现。在此,我们介绍,知识范围内,第一类对定义所有光形式的量子统计特性内在敏感的室温量子材料。与半导体和光子晶体中允许带和禁止带的出现密切相关,组成量子统计等离子体超晶体的超原子导致量子统计带,能够根据光的量子相干性选择性传输光。我们表明,这些等离子体超晶体的响应受构成超原子的几何形状和它们在晶格中的集体排列的支配。因此,由超晶体介导的多粒子相互作用抑制了禁止的量子统计波动,这些波动无法通过超表面传播,而受到允许统计带支持的多光子场则稳健且无失真地传播。因此,这些统计带能够控制脆弱的多光子量子态的传输。首次演示对多体系统的量子相干性内在敏感的室温量子材料,直接影响到提高能量收集过程的效率,而能量收集过程受到光的相干特性本质上影响。通过使用在环境条件下运行的对相干敏感的材料平台来控制这些特性,为太阳能转换和下一代光电设备的发展打开了变革性的机遇。更广泛地说,我们的方法为超越低温环境的稳健多体量子技术奠定了基础。与半导体和光子晶体中允许带和禁止带的形成相似,我们的等离子体超晶体中超原子的重复排列导致对定义不同种类光的统计波动敏感的多粒子干涉过程。正如图1a所示,这些过程建立了允许和禁止的量子统计带,其出现依赖于等离子体超晶体的几何形状。这种响应使得第一种对光的量子统计特性敏感的光学材料得以实现。我们使用自由度表征多光子场的量子统计波动。

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