香港城市大学（城大）物理学家领导的团队最近开发了一种新的量子理论，可以解释物质的“光致相”并预测其新功能。新理论有可能彻底改变量子光子学和室温量子控制领域。它还为各种下一代基于光的应用打开了大门，例如光通信、量子计算和光收集技术。
除了常见的固相、液相和气相之外，科学家们还发现了物质中的奇异相。在原子在空间中经历一定排列的不同阶段，物质可能具有不同的性质。作为新发现的相中的一类，光诱导相在过去十年中引起了科学家的广泛关注，因为它们被认为是新型光伏电池板和新型化学平台的有前途的平台，以及一条新的途径用于现代量子技术。
“光敏分子的超快过程，例如电子转移和能量重新分配，通常在飞秒尺度（10 -15秒），对于光捕获设备、能量转换和量子计算具有广泛的重要性，”张博士解释道城大物理学助理教授哲东领导了这项研究。“然而，对这些过程的研究充满了模糊性。大多数与光诱导相相关的现有理论都受到时间和能量尺度的瓶颈，因此无法解释短激光脉冲发挥作用时分子的瞬态特性和超快过程。这些对探索光致物质相施加了根本限制。”
为了解决这些困难，张博士和他的合作者开发了一种新颖的分子光诱导相光信号的量子理论，这是世界上第一个。新理论通过数学分析结合数值模拟，实时解释分子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集成到超快光谱中。它使用现代代数来解释分子的非线性动力学，这为开发激光和材料表征的最先进技术应用奠定了基础。因此，它为光学检测和量子计量学提供了新原理。
“我们的新理论特别令人着迷的是，分子簇的协作运动表现出波状行为，这种行为会传播很远的距离。这是传统研究中无法实现的。而且这种集体运动可以在室温下存在，而不是以前只能在超低的低温下存在。这意味着在室温下对粒子运动的精确控制和传感是可行的。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，”张博士说。
新的量子理论促进了下一代光捕获和发射设备以及激光操作和检测的设计。光诱导的分子协同性产生的相干性可能导致明亮的光发射。研究中光致物质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学。
在更大的范围内，光诱导相可以实现各种新颖的基于光的跨学科应用，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，研究人员计划探索光诱导相及其对量子材料的影响，并在量子纠缠的背景下开发新的光谱技术和检测。
研究结果发表在科学杂志《物理评论快报》上，标题为“分子极化子的多维相干光谱：朗之万方法”。
张博士是该论文的第一作者。他和 加州大学欧文分校的Shaul Mukamel 教授为通讯作者。他们的合作者包括城大材料科学与工程系的雷党元博士和目前在新加坡国立大学量子技术中心学习的聂晓宇先生。该研究的主要资助来源包括香港研究资助局和中国国家自然科学基金会。
