光，作为一种量子流体？

以下文章来源于京师物理 ，作者刘宁/译

京师物理.

物理学科动态、物理科普、教学研究

超流[1,2]，即流体无摩擦流动的能力，并不只局限于流体力学所描述的系统。十多年前，光学研究人员开始对超流体和其他量子流体产生兴趣[3]，这是因为意识到光在非线性介质中的传播可以表现出量子流体力学特征[4]。研究这些“光流体”有两种平台，一种是把光子限制在半导体微腔中[5]，另一种是光子在体介质中穿行的传播几何[6-8]。这两种构型都允许光子获得有效质量，并受到有效的相互作用。这些特性可以导致它们作为量子流体的集体行为。集体激发是量子流体行为的标志性特征。但是，我们对这些奇异状态的理解受到实验限制的阻碍，特别是难以探测系统的集体激发。法国索邦大学Kastler-Brossel实验室(LKB)的Ferdinand Claude及其同事，在半导体微腔中对一种准粒子的量子流体进行了空前的详细描述[9]。这种准粒子由光子和激子的强耦合所产生，称之为电磁极化子（另称极化激元）。他们的方法有望探索新的量子流体系统，包括一些可以作为类引力模型的体系。

半导体微腔为观察光子流体力学效应提供了一种强大的平台。当这种腔被频率与腔共振相匹配的电磁波照射时，垂直于腔平面的波矢量分量就量子化了。因此，波矢量分量与光子频率之间的关系呈现出二次依赖关系，从而赋予了光子的有效质量。同时，激光照射产生束缚的空穴-电子态，称为激子。在腔中光子和激子之间的耦合产生了称为电磁极化子的准粒子，它同时继承了光子和激子的特性。这些电磁极化子的质量由激子和光子的有效质量决定，并通过激子-激子耦合而相互作用。因此，它们可以集体表现为一种有质量的，相互作用的粒子的流动——也就是作为一种量子流体。在过去的十年中，人们发现电磁极化子系统确实可以表现出玻色-爱因斯坦凝聚到超流的量子流体行为。

腔电磁极化子和二维量子流体之间的相似性超越了这种定性描述，因为这两种系统的时间演化都由相同的数学形式支配: 即Gross-Pitaevskii方程。量子流体行为一个标志是存在集体激发，特别是在静止流体表面传播的小密度微扰。这种传播可以用类Bogoliubov色散关系来描述，这种色散关系具有类似声音的特征(大长度标度上的线性能量-动量关系)和类似自由粒子的特征(短长度标度上的抛物线关系)。Claude和他的同事们专注于这些集体激发的定量测量，也被称为Bogoliubov波。

与传播几何不同，腔电磁极化子系统需要扩展Bogoliubov理论，这是由于电磁极化子具有非平衡的本质，它通过激光的光致激发产生并且其寿命是有限的。这种差异意味着在获取和利用实验数据方面存在着挑战。Bogoliubov激发的测量，首先是用“泵浦(pump)”激光器激发电磁极化子，然后检测电磁极化子衰减时产生的光致发光。在早期的研究中，泵浦激光频率远离腔共振，这有利于泵浦光子与光致发光光子的分离。然而，非共振激发会产生很宽的电磁极化子，其中一些不具有量子流体的特征。它们的存在扭曲了测量谱，特别是在那些预期有超流特征的区域(小波数)。另一种方法是用近共振或共振泵浦(必须滤出光致发光的光子)照射腔。然而这种方法没有足够的能量分辨率来观察Bogoliubov色散曲线的许多精细特征。

由于该小组先前开发的基于相干探针光谱的创新技术[10]，研究人员能够克服这些限制。在该技术中，用一个可调谐的激光场发出的泵浦脉冲去探测Bogoliubov激发。探针激光可以将信号与流体的背景发射隔离开来，从而使该装置能够以空前的空间和光谱分辨率来获取电磁极化子流体的特征。

APS/Alan Stonebraker

图1：Claude和他的同事用来描述半导体腔中电磁极化子流体的“泵浦-探针”装置示意图。一个“泵浦”激光脉冲(红色)通过光致激发产生电磁极化子。通过测量“探针”脉冲不同入射角的腔反射率，该团队获得了电磁极化子色散曲线。

通过一系列的实验，Claude和他的同事们对电磁极化流体的集体激发的色散特征进行了综合的描述。对于给定的泵浦能量，他们测量了探针光束在不同角度下腔的反射率(如图1)。对于每个角度，当探针与集体极化激发共振时，反射率显示出一个下降，这使得研究人员可以刻画不同的波矢的Bogoliubov激发，从而重建色散关系。此外，他们利用光束的高斯形状，使实验结果与解释这种形状的理论预测相吻合——这一过程使他们能够提取出电磁极化流体中的声速。

在超流体中，Bogoliubov色散关系有两个分支，一个是正常色散，一个是负色散，也被称为鬼分支。后一个分支之所以得名，是因为它很难激发，因此也很难观察到。泵浦-探针装置的灵敏度极高，使得LKB研究人员克服了这一实验困难，并在其腔的反射率测量中发现了这种鬼分支的踪迹[10]。这项新工作为刻画这两个分支提供了显著的改进，特别是对于色散曲线中迄今为止表征不佳的区域，例如与低波数相对应的区域。该团队还能够观察到流体密度和其他参数如何影响声速的新的细节特征，并能够描述各种流体不稳定的开始。

由于这项研究，量子流体的框架获得了一定程度的实验控制，为更广泛的电磁极化子流体的定量研究铺平了道路。通过探测标准量子流体行为的微小偏差，该装置将使人们对量子流体力学获得前所未有的理解。而且，也可能将电磁极化子系统作为引力的光学类比，可以用来模拟与天体物理学、宇宙学和量子引力相关的难以探测的现象。

参考资料

P. Kapitza, “Viscosity of liquid helium below the λ-point,” Nature 141, 74 (1938).

J. F. Allen and A. D. Misener, “Flow of liquid helium II,” Nature 141, 75 (1938).

A. Amo et al., “Superfluidity of polaritons in semiconductor microcavities,” Nat. Phys. 5, 805 (2009).

T. Frisch et al., “Transition to dissipation in a model of superflow,” Phys. Rev. Lett. 69, 1644 (1992).

I. Carusotto and C. Ciuti, “Quantum fluids of light,” Rev. Mod. Phys. 85, 299 (2013).

I. Carusotto, “Superfluid light in bulk nonlinear media,” Proc. R. Soc. A. 470, 20140320 (2014).

Q. Fontaine et al., “Observation of the Bogoliubov dispersion in a fluid of light,” Phys. Rev. Lett. 121, 183604 (2018).

C. Michel et al., “Superfluid motion and drag-force cancellation in a fluid of light,” Nat. Commun. 9, 2108 (2018).

F. Claude et al., “Spectrum of collective excitations of a quantum fluid of polaritons,” Phys. Rev. B 107, 174507 (2023).

F. Claude et al., “High-resolution coherent probe spectroscopy of a polariton quantum fluid,” Phys. Rev. Lett. 129, 103601 (2022).

原文链接：https://physics.aps.org/articles/v16/74

END

更多精彩文章请点击下面“蓝字”标题查看：

对麦克斯韦方程组拓展的评论王青教授：深入理解“拓展的麦克斯韦方程组”——2.0版王青教授：理解王中林院士“拓展的麦克斯韦方程组”“碰瓷”麦克斯韦：伽利略协变和洛伦兹协变电磁场论趣谈热点：运动介质洛伦兹协变电磁理论2021年《物理与工程》优秀论文、优秀审稿专家、优秀青年学者名单王青教授：源自苏格拉底的问题驱动式教育——在互动中共同学习和成长读后感：教育中的现实和远方王青教授：昨晚（6月9日），清华电动力学期末考试朱邦芬院士：“减负”误区及我国科学教育面临的挑战《物理与工程》2022年第3期目录乐永康：新冠肺炎疫情防控下美国物理实验教学及中美情况对比顾牡：对于重新制定的《非物理类理工学科大学物理课程教学基本要求》的认识和体会朱邦芬院士：从基础科学班到清华学堂物理班朱邦芬院士：对培养一流拔尖创新人才的思考李学潜教授：物理是一种文化李学潜教授：如何帮助物理系学生迈过从高三到大一这个坎穆良柱：物理课程思政教育的核心是科学认知能力培养穆良柱：什么是物理及物理文化？穆良柱：什么是ETA物理认知模型穆良柱：什么是ETA物理教学法吴国祯教授：我的国外研究生经历印象——应清华大学物理系“基科班20年·学堂班10年纪念活动”而写

陈佳洱，赵凯华，王殖东：面向21世纪，急待重建我国的工科物理教育王亚愚教授：清华物理系本科人才培养理念与实践葛惟昆教授：关于中外人才培养的几点思考安宇教授：为什么传统的课堂讲授模式需要改变安宇教授：其实教学就是积累的过程刘玉鑫教授：关于本科生物理基础课程教学和教材编著的一些思考沈乾若：重创理科教育的美加课程改革Henderson C：美国研究基金支持下的物理教育研究及其对高等物理教育的影响《物理与工程》期刊是专注于物理教育教学研究的学术期刊，是中国科技核心期刊，1981年创刊，欢迎踊跃投稿，期刊投审稿采编平台：

http://gkwl.cbpt.cnki.net

欢迎关注

《物理与工程》微信公众号

原标题：《光，作为一种量子流体？》

阅读原文