約20年前，研究人員對糾纏光子的等離激元輔助傳輸的觀察催生了量子等離激元領域。多年後，單光子與金屬和電介質之間介面處的電荷振盪的耦合導致了單個表面等離激元的產生。這些發現揭示了激發具有量子力學特性的表面等離激元的可能性。從那時起，等離激元系統的量子統計特性的守恆構成了量子等離激元領域的廣為接受的假設。此外，等離激元系統的量子漲落被認為獨立於其他特性，如偏振、時間和空間相干性。迄今為止，物理學家和工程師一直依靠這些假設來開發用於量子控制、感測和資訊處理的等離激元系統。
在最新的實驗研究中，該團隊證明了在等離激元系統中玻色子的量子統計特性並不總是守恆，並以此為基礎提出了可以利用等離激元結構來調節物理系統的量子統計漲落。控制多粒子系統的潛在量子漲落的可能性對量子等離激元裝置的實際應用具有重要意義。
近期，美國路易斯安那州立大學的Omar Magaña-Loaiza團隊在等離激元系統（plasmonic system）內光子的量子統計特性的研究工作中取得重要進展。近年來，學者們一直認為玻色子的量子統計特性在等離激元系統中是守恆的。然而在最新的研究中，該團隊與四所大學的研究人員合作，在金屬奈米雙縫結構中透過等離激元實驗驗證了在等離激元系統中多粒子系統的量子統計並不總是守恆，並創新性地提出透過在等離激元系統中調節近場來產生不同種類的光。該成果以“Observation of the modification of quantum statistics of plasmonic systems”為題發表在國際知名期刊Nature Communications上。
該團隊揭示了光子和表面等離激元之間的散射會引起多粒子干涉效應，從而導致等離激元系統激發模式的改變。如圖1(a)所示，在等離激元結構中發生的多粒子散射過程可以透過其附近的受限近場的強度來控制，因此可以利用受限近場引起的額外干涉路徑調節等離激元系統的量子統計特性。實驗中研究人員使用如圖1(b)中所示的金屬雙縫等離激元結構來驗證這一觀點。
圖1:理論示意圖及實驗裝置圖
等離激元近場的強度是透過入射光子的偏振來控制的，等離激元近場僅可被沿水平方向極化的光子激發。基於上述理論，團隊探索了由熱態多光子系統照射的等離激元雙縫結構中量子統計的調節。如圖2(e)-(h)的機率分佈所示，空間相干性的改變確實伴隨著等離激元系統的量子漲落的改變。這種效應以前沒有被觀察到，這是因為在過去的實驗中使用的測量裝置對這種等離激元結構支援的多粒子動力學不敏感。團隊的工作揭示了光學近場作為操縱多粒子量子系統的額外自由度的潛力。
圖2:等離激元系統內光子的量子統計特性調控
美國路易斯安那州立大學量子光學實驗室博士後研究員由成龍、博士生洪銘遠為該文共同第一作者，Omar Magaña-Loaiza為該文通訊作者。
