洛桑聯邦理工學院的科學家，已成功將一種新物質材料與單光子水平的光相耦合。這一成果為更好地控制和理解量子關聯絡統的性質開闢了新前景，在這些系統中，理論計算是困難的。有一大類材料被物理學家稱為“強相關”，包括絕緣體和具有不同尋常電磁性質的電子材料，甚至包括中子星中的中子。它們的性質是因為成分相互作用非常強：

新的特徵出現在集體層面，而這些新特徵並不存在於孤立的粒子中。強相關材料的獨特性質往往在技術上是有用的，因此被用於超導磁體和磁儲存技術，也被用於新興的“量子技術”。現在，由洛桑聯邦理工學院物理研究所Jean-Philippe Brantut領導的科學家們，已經發現了第一種複雜、強關聯的材料，其成分在單光子水平上與光耦合。

這種物質就是研究人員所說的“費米氣體”，費米氣體基本上是一種冷卻到接近絕對零度的中性原子氣體。在那裡，與電子或中子屬於同一粒子族的原子表現出類似的強關聯效應。透過將這種費米氣體放在兩個高反射的光學鏡面之間，即一個“光的盒子”，研究人員發現，與光的相互作用可以變得前所未有地強烈。研究人員現在將利用這一點來更好地控制和理解量子關聯絡統的性質，這也是理論計算很困難的地方。

相反，這可能允許進一步將強關聯物質用於量子技術應用，其中與光的介面是前提條件。物質中的強量子關聯產生了材料一些最非凡的性質，從磁性到高溫超導，但它們在量子裝置中的整合需要與光子強相干耦合，這在固態系統中仍然是一個巨大的技術挑戰。在腔量子電動力學中，玻色-愛因斯坦凝聚或晶格氣體等量子氣體與光有很強的耦合。然而，到目前為止，無論是費米量子物質（與固體中的電子相當），還是具有受控相互作用的原子系統，都沒有與光子強烈耦合。

新研究在高精細腔中量子簡併酉費米氣體與光的強耦合，研究人員繪製了耦合系統的光譜，並觀察到由於腔光子與氣體每個自旋分量的強耦合而產生解析度很好的修飾態，並研究了自旋平衡和自旋極化氣體，發現與描述光-物質相互作用的定量計算一致，其系統在量子簡併區提供了對原子-原子和原子-光子相互作用的完全和同時控制，也為量子模擬開闢了廣闊的前景。

強相干的光-物質相互作用是新興量子技術的核心，使人們能夠在單量子水平上觀察和控制物質。在多體系統中，當集體協作性Cn？=？4Ng2/κΓ，也就是說，當光子相干散射到電磁場的一個特定模式，由高精細度諧振器挑選出來，支配非相干損耗過程時，就可以定量地達到這一點。這裡g是單光子和單物質激發之間的耦合強度，N是相同發射體的數目，κ和Γ分別是光子和物質激發的非相干衰減率。

博科園｜研究/來自：洛桑聯邦理工學院

參考期刊《自然通訊》

DOI： 10。1038/s41467-020-16767-8

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