由香港城市大学(城大)物理学家领导的研究团队最近开发了一种新的量子理论，可以解释物质的“光诱导相”，并且预测了其新的功能。这个新理论有可能彻底改变量子光子学和室温下的量子控制领域，它还为基于光的各种下一代应用打开了新的大门，例如光通信、量子计算和光采集技术。物质除了常见的固相、液相和气相之外，科学家们还发现了其他奇异的相。在不同的相中，原子在空间中会发生不同的排列，因此物质可能具有不同的性质。作为一种新发现的相，光诱导相在过去十年中引起了科学家们的广泛关注，因为它们被认为是新型光伏面板和新型化学平台的有前途的平台，也是一条通向现代量子技术的新途径。领导这项研究的香港城市大学物理学助理教授Zhang Zhedong博士解释道：“对于光活性分子的超快过程，例如电子转移和能量重新分配，通常发生在飞秒的时间尺度(10 -15秒)，这些过程对于光捕获设备、能量转换和量子计算具有广泛的重要性”。这项研究结果已经以“分子极化子的多维相干光谱：朗之万方法”为题发表在《Physical Review Letters》杂志上。
基于新量子理论提出的分子光诱导相的时间分辨光谱示意图。在激光脉冲激发分子后，探测器会收集发射的光幅信号，从而实时获得激子动力学的多维动态成像。图片来源：香港城市大学Zhang Zhedong博士
张博士说“然而，对这些过程的研究充满了模糊不清的地方，现有的大多数与光诱导相相关的理论都受到时间和能量尺度的瓶颈的制约，因此无法解释分子在短激光脉冲作用下的瞬态特性和超快过程。这些对探索物质光诱导相带来了根本的限制”。为了解决这些难题，张博士和他的合作者们为分子光诱导相的光信号开发了一种新的量子理论，这在世界上尚属首次。该新理论通过数学分析和数值模拟，解释了分子的实时的激发态动力学和光学性质，克服了现有理论和技术的瓶颈。新理论将先进的量子电动力学与超快光谱学相结合，并使用现代代数来解释分子的非线性动力学，这为开发用于激光和材料表征的最先进技术奠定了基础。因此，它为光学检测和量子计量学提供了新的设计原理。
张博士补充说：“我们的新理论最吸引人的地方是分子簇的协同运动表现出一种类似波状的特性，这种运动可以在一定距离内传播，这在传统研究中是无法实现的。而且这种分子的集体运动可以在室温下存在，而不是像以前那样只能在超低温下进行。这意味着在室温下对粒子运动的精确控制和感应是可行的。这可能会开辟新的研究领域，例如集体驱动的化学，可能会彻底改变光化学的研究”。新的量子理论有助于设计下一代光捕获和发射设备以及激光操作和检测。通过光诱导分子的协同作用产生的相干性可能可以给出高亮度的辐射光源。研究中的光诱导相的光谱探针有助于开发下一代光学传感技术和量子计量方法。在更大的视角来看，光诱导相可能实现各种新型的基于光技术的跨学科应用，例如光通信、生物成像、化学催化控制以及以节能方式设计光捕获装置。在不久的将来，研究人员计划进一步探索多种量子材料中的光诱导相及其效应，并将基于量子纠缠发展新型光谱技术和检测方法。
