近日，北京量子信息科學(xué)研究院(以下簡稱“量子院”)超快光譜學(xué)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合清華大學(xué)，在微腔激子極化激元體系的量子傳播機(jī)制研究中取得重要進(jìn)展。研究揭示了激子極化激元凝聚體中存在一種獨(dú)特的、無法通過傳統(tǒng)輸運(yùn)理論直接解釋的量子傳播行為。這一成果不僅拓展了對(duì)粒子量子行為的理解，也為未來基于激子極化激元的高速、長程有源光子器件設(shè)計(jì)提供了支撐。相關(guān)成果于2025年3月24日以“Anomalous quantum transport of microcavity exciton polaritons”為題發(fā)表在《Science Bulletin》。
 

　　增強(qiáng)量子器件設(shè)計(jì)和推進(jìn)信息處理強(qiáng)調(diào)了對(duì)量子粒子傳播的微觀理解的迫切需要。然而，與經(jīng)典擴(kuò)散不同，量子傳播表現(xiàn)出更復(fù)雜的特征，如量子干涉效應(yīng)、非線性相互作用和無序散射等多種物理機(jī)制之間的競爭。傳統(tǒng)的量子輸運(yùn)理論主要圍繞固態(tài)電子系統(tǒng)構(gòu)建，其探索了電阻率或電導(dǎo)率等宏觀輸運(yùn)參數(shù)。而隨著量子技術(shù)的進(jìn)步，如玻色-愛因斯坦凝聚體、超導(dǎo)量子系統(tǒng)或束縛離子，提供了更直接的粒子時(shí)空分布。這些新穎的量子系統(tǒng)提供了超越傳統(tǒng)輸運(yùn)理論和探索新型量子傳播現(xiàn)象的機(jī)會(huì)。
 

　　作為一種由光子與激子強(qiáng)耦合形成的準(zhǔn)粒子，激子極化激元兼具光子的極低有效質(zhì)量和激子的強(qiáng)非線性相互作用的特征，展現(xiàn)出諸如高度非厄米特性、長程量子相干性等獨(dú)特性質(zhì)。但目前尚缺乏對(duì)該類體系的系統(tǒng)研究，基于此研究團(tuán)隊(duì)深入探索了其量子傳播特性。通過對(duì)其動(dòng)力學(xué)行為的深入分析，研究人員發(fā)現(xiàn)，激子極化激元的傳播機(jī)制與遵循薛定諤方程(Schr?dinger)或格羅斯-皮塔耶夫斯基方程(Gross-Pitaevskii)的粒子存在本質(zhì)差異，具體而言，激子極化激元的擴(kuò)散指數(shù)呈現(xiàn)出時(shí)間依賴性，表現(xiàn)了異常的空間擴(kuò)展行為和局域化趨勢。
 

圖一 微腔激子極化激元的量子傳播動(dòng)力學(xué)。
 

　　通過應(yīng)用標(biāo)度理論和自洽理論，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步揭示了激子極化激元在長時(shí)間傳播中出現(xiàn)的反常局域相的本質(zhì)，打破了Anderson局域化的單參數(shù)標(biāo)度理論。通過對(duì)質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的分析，研究團(tuán)隊(duì)還首次提供了激子極化激元局域相區(qū)別于Anderson局域化的直接證據(jù)：在典型的Anderson局域體系中，質(zhì)心在長時(shí)間下會(huì)返回到原點(diǎn)，呈現(xiàn)“量子回旋鏢效應(yīng)”；而在激子極化激元體系中，質(zhì)心則趨于一個(gè)有限值，表明其局域機(jī)制具有根本不同的物理起源。
 

圖二 標(biāo)度理論和質(zhì)心坐標(biāo)。
 

　　該成果第一作者為量子院博士后田玲鈺，共同通訊作者為量子院/清華大學(xué)物理系兼聘教授熊啟華，量子院副研究員Sanjib Ghosh。合作者還包括清華大學(xué)博士生彭雨田、量子院助理研究員許華文。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、中國博士后科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。