在《自然物理学》中，路易斯安那州立大学量子光子学小组对表面等离子体激元的基本特征提出了新的见解，挑战了现有的理解。基于 Omar Magaña-Loaiza 副教授实验室进行的实验和理论研究，这些新颖的发现标志着量子等离子体学的重大进步，可能是过去十年中最值得关注的进步。

用于构建更好量子技术的多粒子纳米结构

虽然该领域的先前研究主要集中在等离子体系统的集体行为上，但路易斯安那州立大学小组采用了一种独特的方法。通过将等离子体波视为一个谜题，他们能够隔离多粒子子系统，或将谜题分解成碎片。这使得团队能够看到不同的部分如何协同工作，并揭示不同的图片，或者在这种情况下，表面等离子体激元的新行为。

等离子体激元是当光与电荷振荡耦合时沿着金属表面移动的波。就像将卵石扔进水中会产生涟漪一样，等离子体激元是沿着金属表面传播的“涟漪”。这些微小的波在纳米尺度上运行，使其在纳米技术和光学等领域至关重要。

“我们发现，如果我们观察等离子体波的量子子系统，我们可以看到相反的模式、更清晰的模式和相反的干扰，这与经典行为完全相反，”研究生兼合作者赖利·道金斯解释道。该研究的第一作者，领导了理论研究。

使用瞄准金纳米结构的光并观察散射光的行为，路易斯安那州立大学量子小组观察到表面等离子体激元可以表现出玻色子和费米子的特征，而玻色子和费米子是量子物理学中的基本粒子。这意味着量子子系统可以表现出非经典行为，例如根据特定条件向不同方向移动。

“想象一下你正在骑自行车。你会相信你的大多数原子都在与自行车相同的方向移动。对于大多数人来说都是如此。但事实上，有一些原子在相反的方向移动，”马加尼亚-洛艾萨解释道。

“这些结果的后果之一是，通过了解等离子体波的这些非常基本的特性，最重要的是，这种新行为，人们可以开发出更灵敏和更强大的量子技术。”

2007 年，使用等离子体波进行炭疽检测引发了利用量子原理改进传感器技术的研究。

目前，研究人员正在努力将这些原理整合到等离子体系统中，以创建具有更高灵敏度和精度的传感器。这一进步在医疗诊断、药物开发模拟、环境监测和量子信息科学等各个领域都具有重大前景。

这项研究有望对量子等离子体领域产生重大影响，因为世界各地的研究人员将利用这些发现进行量子模拟。助理研究教授兼通讯作者尤成龙说：“我们的研究结果不仅揭示了量子系统中这种有趣的新行为，而且它也是迄今为止粒子数量最多的量子等离子体系统，仅此一点就将量子物理学提升到了一个新的水平。另一个层面。”

研究生兼共同第一作者 Mingyuan Hong 领导了该研究的实验阶段。尽管量子等离子体系统很复杂，但洪指出，他在实验过程中面临的主要挑战是外部干扰。

“由于等离子体样本的极端敏感性，来自道路建设等各种来源的振动构成了重大挑战。尽管如此，我们最终成功地从等离子体波中提取了量子特性，这是增强敏感量子技术的突破。这一成就可以为未来的量子模拟开辟新的可能性。”

这项名为“表面等离子体激元的非经典近场动力学”的研究完全在路易斯安那州立大学进行。“这项研究的所有作者都隶属于路易斯安那州立大学物理与天文学系。我们甚至有一位当时是高中生的合著者，我对此感到非常自豪，”马加尼亚-洛艾萨说。这项新研究是路易斯安那州立大学之前的工作的前言。