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「光的量子流体」实现了前所未有的新突破
超流性是流体无摩擦流动的能力，并不限于由流体力学描述的系统。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：因为他们意识到在非线性介质中传播的光可以表现出量子流体力学特征。
迄今为止，出现了两个研究这些“光的流体”的平台：光子被限制在其中的半导体微腔和光子在散装介质中传播的几何形状(geometry)。这两种配置都允许光子获得有效的质量并经历有效的相互作用，这些特性也可以使它们共同表现为一种量子流体。
然而，我们对这些奇异状态的理解受到了实验的限制，特别是难以探测作为量子流体行为标志的集体激发。现在，法国索邦大学Kastler-Brossel实验室（LKB）的Ferdinand Claude和他的同事们提供了一个前所未有的详细的量子流体：由半导体微腔中的光子和激子强耦合产生的准粒子。他们的方法为探索新的量子流体体系带来了希望，包括一些可以作为引力的模拟模型。
半导体微腔提供了一个强大的平台来观察光子流体力学效应。当这样的腔体被频率与腔体共振相匹配的电磁波照射时，垂直于腔体平面的波矢量分量就会变得量化。因此，这个波矢量分量和光子频率之间的关系呈现出二次方的依赖性，从而赋予了光子一个有效的质量。
同时，激光照射会产生束缚的空穴-电子状态，称为激子。腔内的光子和激子之间的耦合产生了称为极子的准粒子，它继承了光子和激子的特性。这些偏振子的质量由激子有效质量和光子有效质量决定，它们通过激子-激子耦合进行互动。因此，它们可以集体表现为大质量、相互作用的粒子流，即作为一种量子流体。在过去的十年中，极子系统确实被证明显示了从玻色-爱因斯坦凝聚物到超流体的量子流体行为。
空腔偏振子和二维量子流体之间的相似性超出了这种定性描述，因为这两个系统的时间演化是由相同的数学形式主义所支配的：所谓的Gross-Pitaevskii方程。量子流体行为的一个标志是集体激励(collective excitation)的存在，特别是在静止的流体表面传播的小密度扰动。这种传播是由类似Bogoliubov的分散关系描述的，它有一个类似声音的区域（大长度尺度上的线性能量-动量关系）和一个类似自由粒子的区域（小长度尺度上的抛物线关系）。Claude和他的同事们专注于对这些集体激发的定量测量，也被称为Bogoliubov波。
与传播的几何结构不同，空腔-偏振子系统需要对Bogoliubov理论进行扩展；这是偏振子非平衡性质的结果——它是通过激光光激发产生的，具有有限的寿命。这种差异意味着在获取和利用实验数据方面的挑战。对Bogoliubov激发的测量涉及到用“泵浦”激光激发多晶子，然后检测多晶子衰减时产生的光致发光。
在早期的研究中，泵浦激光的频率远离腔体共振。这有利于泵浦光子与光致发光光子的分离。然而，非共振激发产生了广泛的偏振子，其中一些并不是量子流体的一部分。它们的存在扭曲了测量的光谱——特别是在那些预计会出现超流性特征的区域（低波数）。另一种方法是用一个近共振或通共振的泵来照亮腔体（必须从光致发光的光子中过滤掉）。然而，这种方法没有足够的能量分辨率来观察Bogoliubov色散曲线的许多微妙特征。
多亏了该小组之前开发的基于相干探针光谱学(coherent-probe spectroscopy)的创新技术，研究人员能够克服这些限制。在该技术中，泵浦脉冲之后是一个可调谐的激光场，用于探测Bogoliubov的激发。探针激光允许信号从流体的背景发射中分离出来，使该装置有能力以前所未有的空间和光谱分辨率获取极化流体的特征。
通过一系列的实验，Claude和他的同事们对流体的集体激发的分散性进行了全面的描述。对于给定的泵浦能量，他们测量了探针光束的不同角度、腔体的反射率；对于每个角度，当探针与集体偏振子激发发生共振时，反射率显示出一个凹陷，这使得研究人员能够描述具有不同波矢量的Bogoliubov激发，从而重建色散关系。此外，他们利用光束的高斯形状，将他们的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“幽灵分支”。后一个分支的名字是由于它在激发方面非常具有挑战性，因此也是为了观察。新的工作为这两个分支的表征提供了一个显著的改进，特别是对于直到现在还没有很好表征的色散曲线区域（比如那些对应于低波数的区域）。研究小组还能够观察到流体密度和其他参数如何影响声速的新细节，并描述了各种流体不稳定性的开始。
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，为更广泛的极化流体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有了前所未有的了解。更重要的是，它可能使极化系统作为重力的光学类似物，可用于模拟与天体物理学、宇宙学和量子引力有关的难以探测的现象。
参考链接：[1]https://baijiahao.baidu.com/s?id=1765384417759850622[2]https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.107.174507[3]https://physics.aps.org/articles/v16/74
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