用于构建更好量子技术的多粒子纳米结构

在《自然物理学》杂志上，路易斯安那州立大学量子光子学小组对表面等离子体的基本特征提供了新的见解，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，这些新发现标志着量子等离子体的重大进展，可能是过去十年中最值得注意的一次

虽然该领域先前的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，他们能够分离多粒子子系统，或将谜题分解成碎片。这使团队能够看到不同的部分是如何协同工作的，并揭示了不同的画面，或者在这种情况下，表面等离子体的新行为

等离子体是当光与电荷振荡耦合时沿着金属表面移动的波。就像把鹅卵石扔进水中会产生涟漪一样，等离子体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

“我们的发现是，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、更尖锐的模式和相反的干涉，这与经典行为完全相反，”该研究的研究生兼第一作者之一Riley Dawkins解释道，他领导了这项理论研究

LSU量子小组使用针对金纳米结构的光并观察散射光的行为，观察到表面等离子体可以表现出玻色子和费米子的特性，这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

“想象一下你骑着自行车。你会相信你的大多数原子都在和自行车朝着同一个方向移动。对大多数原子来说也是如此。但事实上，有些原子在朝着相反的方向移动，”Magaña-Loaiza解释道

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

2007年，将等离子体波用于炭疽检测引发了将量子原理用于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集成到等离子体系统中，以创建具有更高灵敏度和精度的传感器。这一进步在医学诊断、药物开发模拟、环境监测和量子信息科学等各个领域都有着重要的前景

这项研究将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游成龙说：“我们的发现不仅揭示了量子系统中这一有趣的新行为，而且它也是有史以来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另一个水平。”。尽管量子等离子体系统很复杂，洪指出，他在实验中面临的主要挑战是外部扰动

“由于等离子体样品的极端敏感性，来自各种来源的振动，如道路建设，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，这是一项增强敏感量子技术的突破。这一成就可能为未来的量子模拟开辟新的可能性。”

这项题为“表面等离子体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。Magaña-Loaiza说：“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还是高中生的合著者，我对此感到非常自豪。”。这项新的研究是在路易斯安那州立大学之前的工作的基础上进行的