法国探测半导体微腔中准粒子的实验为光的量子流体动力学提供了前所未有的见解。
超流动性[1，2]，即流体无摩擦流动的能力，不仅限于流体动力学描述的系统。十多年前，光学研究人员开始对超流体和其他量子流体感兴趣[3]，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动力学特征[4]。研究这些“光流体”出现了两个平台：限制光子的半导体微腔[5]和光子在块状介质中传播的传播几何形状[6-8]。这两种配置都允许光子获得有效质量并经历有效的相互作用 - 这些特性可以导致它们共同表现为量子流体。然而，我们对这些奇异状态的理解受到实验局限性的阻碍，特别是探索作为量子流体行为标志的集体激发的困难。现在，法国索邦大学Kastler-Brossel实验室（LKB）的Ferdinand Claude及其同事对极化子量子流体进行了前所未有的详细表征，极化子是由半导体微腔中光子和激子强耦合产生的准粒子[9]。他们的方法有望探索新的量子流体制度，包括一些可以作为重力模拟模型的制度。
半导体微腔为观察光子流体动力学效应提供了一个强大的平台。当这种空腔被频率与空腔共振相匹配的电磁波照亮时，垂直于空腔平面的波矢量分量被量子化。结果，该波矢量分量与光子频率之间的关系表现出二次依赖性，赋予光子有效质量。同时，激光照明产生结合的空穴-电子状态，称为激子。空腔中光子和激子之间的耦合产生了称为极化子的准粒子，它继承了光子和激子的性质。这些极化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-激子耦合相互作用。因此，它们可以集体表现为大质量相互作用的粒子流，即量子流体。在过去的十年中，极化子系统确实显示出从玻色 - 爱因斯坦凝聚到超流体的量子流体行为。
腔极化子和二维量子流体之间的相似性超出了这种定性描述，因为两个系统的时间演化都由相同的数学形式主义决定：所谓的格罗斯-皮塔耶夫斯基方程。量子流体行为的一个标志是集体激发的存在，特别是静止时在流体表面传播的小密度扰动。这种传播由类似Bogoliubov的色散关系描述，该关系具有类似声音的区域（大长度尺度上的线性能量-动量关系）和自由粒子状区域（小长度尺度上的抛物线关系）。克劳德和同事们专注于这些集体激发的定量测量，也称为Bogoliubov波。
与传播几何形状不同，空腔极化子系统需要扩展Bogoliubov理论 - 这是极化子不平衡性质的结果，极化子通过激光光激发产生并且具有有限的寿命。这种差异意味着在获取和利用实验数据方面存在挑战。Bogoliubov激发的测量涉及使用“泵浦”激光器激发极化子，然后检测极化子衰变时产生的光致发光。在早期的研究中，泵浦激光频率远离腔共振，这有助于泵浦光子与光致发光光子的分离。然而，非共振激发会产生大范围的极化子，其中一些不是量子流体的一部分。它们的存在扭曲了测量的光谱，特别是在那些预期超流动性特征的区域（低波数）。另一种方法是用近共振泵或共振泵（必须从光致发光光子中滤除）照亮腔体。然而，这种方法没有足够的能量分辨率来观察Bogoliubov色散曲线的许多细微特征。
由于该小组先前开发的一种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，泵浦脉冲之后是可调谐激光场，用于探测Bogoliubov激发。探头激光器允许将信号与流体的背景发射隔离开来，使设置能够以前所未有的空间和光谱分辨率访问极化流体的特征。
通过一系列实验，克劳德及其同事对极化流体集体激发的分散进行了全面的表征。对于给定的泵浦能量，对于探头光束的不同角度，他们测量了腔体的反射率（图）。1） .对于每个角度，当探针与集体极化子激发共振时，反射率显示出下降，这使得研究人员能够表征具有不同波矢量的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些形状的理论预测相匹配 - 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，一个具有正态色散，一个具有负色散，也称为鬼分支。后一个分支之所以得名，是因为激发和观察是非常具有挑战性的。泵浦探针设置的精湛灵敏度以前使LKB研究人员能够克服这一实验困难，并在空腔的反射率测量中找到这种幽灵分支的痕迹[10]。这项新工作在两个分支的表征方面提供了显着的改进，特别是对于迄今为止表征不佳的色散曲线区域，例如对应于低波数的区域。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细节，并表征各种流体不稳定的发生。
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，为对极化流体进行更广泛的定量研究铺平了道路。通过探测与标准量子流体行为的微小偏差，该装置将实现对量子流体动力学的前所未有的洞察力。更重要的是，它可能使极化子系统能够用作引力的光学类似物，可用于模拟与天体物理学，宇宙学和量子引力相关的难以探测的现象。
