光子准粒子：光与物质的相互作用
原创 长光所Light中心 中国光学 收录于话题#量子光学3个
撰稿 | Charlie（浙江大学 博士生）
光与物质之间的相互作用在光谱学、传感、量子信息处理和激光等领域发挥着重要作用。在这些应用中，光通常被视为在真空中以光速传播的电磁平面波。因此，光与物质的相互作用通常可以被视为非常弱的，并且在量子电动力学计算中往往只保留到最低阶来处理。
然而，如果要理解光子与材料准粒子（表面等离激元、声子和激子）的耦合方面取得的进展，需要对光-物质相互作用的本质进行更深刻的认识。
在光子准粒子的应用中，光子可以被限制在几纳米的空间尺度内，光子的偏振和色散对光与物质相互作用的影响很大，这使得光子与束缚电子以及自由电子相互作用时产生了很多丰富的物理现象。
近期，来自美国麻省理工学院(MIT)的Nicholas Rivera和以色列理工学院(Technion)的Ido Kaminer教授在Nature Reviews Physics中联合发表综述文章Light–matter interactions with photonic quasiparticles。
该文章聚焦总结了近年来光与物质基于光子准粒子进行相互作用的重要进展，用统一的理论将电子与微腔（或光子晶体）中的光子、等离激元、声子和激子等之间看似不同的相互作用囊括在一个框架中。
这篇综述从一个全新的视角看待光与物质相互作用中的束缚电子和自由电子，详细介绍了如何通过宏观量子电动力学理论框架去统一描述这些看似不同的电子系统中的光子准粒子现象。
此外，本文还介绍了实现新颖的光与物质作用--光子准粒子相互作用的理论和实验进展。例如，室温强耦合，原子中的超快“禁止”跃迁和切伦科夫效应的新应用，以及超快电子显微镜的突破和紧凑型X射线源的新概念等。
图源：Nature Reviews Physics 2,538–561(2020) (Fig.1)
如图1所示，光与物质的相互作用是很多物理效应的核心，在现代科学技术中起着至关重要的作用。光的发射和吸收——原子、分子和固体中的电子以及自由电子——构成了许多成熟和新生技术的基础。例如现代光谱学、激光、X射线源、发光二极管、光电二极管、太阳能电池，高能粒子探测器和先进的显微镜方法。光与物质的相互作用根本上是量子电动力学描述的，在许多情况下，这种相互作用被描述为电子的量子跃迁，并伴随着真空中电磁场的量子发射、吸收或散射（光子）。
描述光子与电子相互作用的理论几乎和量子力学本身一样古老，1927年由保罗·狄拉克（PaulDirac）首次提出，1932年恩里科·费米（EnricoFermi）提出了一个优雅的重整(re-formulate)公式（至今仍在使用）。但是传统上，对于绝大多数经典尺度上的应用，在经典电磁学理论框架中将光子描述为以光速传播，波长远比原子、分子和固体中电子波函数的典型尺寸尺度长得多的平面波是合理且准确的。
但是，近年来，随着现代物理学的发展，这种传统理解受到了来自实验的挑战。新的实验使用近场显微镜将光子与范德瓦尔斯材料中的偏振子耦合，或者将光限制在不同金属之间的纳米间隙，这些实验产生了很多用传统电磁理论难以解释的现象。特别地，现在的技术手段可以将光耦合到非常小的空间区域，比如等离子(plasmonic)、声子(phononic)、激子(excitonic)甚至磁振子(magnonic)等极化激元，这些准粒子可以用许多与光子相同的方式进行操纵，因此也被称为光子准粒子。
作为光场的一部分，光子准粒子作为介质中麦克斯韦方程的量子化时谐解，是一个广义的概念，它不仅包括极化激元，而且还包括还有真空和均匀介质中的光子，空腔和光子晶体中的光子，甚至包括看起来基本上是非光子的激发，比如体等离子体和体声子。
这些准粒子通常在偏振、约束和色散等几个关键方面与真空中的光子不同。在研究这些激发是如何被电子（即光与物质相互作用）吸收和发射的时候，人们发现光子与光子准粒子的这些差异使得以前许多在自由空间中是很难甚至不可能实现的现象得以实现。例如，特定的光子准粒子可以将光子的尺寸压缩到真空中光子波长的千分之一，体积压缩到百万分之一；如石墨烯和六角氮化硼等二维材料中的极化激元可以同时实现很高的空间约束和很低的光学损耗。
表1展示了在不同的电磁环境（电子体系）中描述光与物质相互作用所需要用到的不同的矢量势的表达形式。
事实上，我们可以将这些纷繁复杂的电子体系分成两类：
一类是束缚电子体系，诸如固体原子，量子阱等势阱中的电子体系；
另一类是自由电子，即电子在真空环境中做自由运动时的情形。
下面我们就这两种电子体系分别讨论，并且最终利用宏观量子电动力学将这两个看似不同的体系中的光与物质相互作用用一个框架统一起来。
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