在《自然物理學(xué)》雜志上，路易斯安那州立大學(xué)量子光子學(xué)小組對表面等離子體的基本特征提出了新的見解，挑戰(zhàn)了現(xiàn)有的理解�；�于Omar Magaña-Loaiza副教授實驗室進行的實驗和理論研究，這些新發(fā)現(xiàn)標志著量子等離子體學(xué)的重大進展，可能是過去十年中最值得注意的。

雖然該領(lǐng)域的先前研究主要集中在等離子體系統(tǒng)的集體行為上，但LSU小組采用了一種獨特的方法。通過將等離子體波視為一個謎題，他們能夠分離出多粒子子系統(tǒng)，或者將謎題分解成碎片。這使團隊能夠看到不同的部分如何協(xié)同工作，并揭示了不同的畫面，或者在這種情況下，表面等離子體的新行為。

等離激元是當光耦合到電荷振蕩時沿著金屬表面移動的波。就像將鵝卵石扔進水中會產(chǎn)生漣漪一樣，等離子體是沿著金屬表面?zhèn)鞑サ摹皾i漪”。這些微小的波在納米尺度上起作用，使它們在納米技術(shù)和光學(xué)等領(lǐng)域至關(guān)重要。

Riley Dawkins解釋說：“我們發(fā)現(xiàn)，如果我們觀察等離子體波的量子子系統(tǒng)，我們可以看到逆模式，更尖銳的模式和相反的干涉，這與經(jīng)典行為完全相反”。他是該研究的研究生和共同第一作者，他領(lǐng)導(dǎo)了理論研究。

利用針對金納米結(jié)構(gòu)的光并觀察散射光的行為，LSU量子小組觀察到表面等離子體可以表現(xiàn)出玻色子和費米子的特征，玻色子和費米子是量子物理學(xué)中的基本粒子。這意味著量子子系統(tǒng)可以表現(xiàn)出非經(jīng)典行為，例如根據(jù)特定條件向不同方向移動。

Magaña-Loaiza解釋說：“想象一下你正在騎自行車。你會相信你的大部分原子都朝著與自行車相同的方向移動。對他們中的大多數(shù)人來說都是如此。但事實上，有一些原子向相反的方向移動。這些結(jié)果的后果之一是，通過了解等離子體波的這些非常基本的特性，最重要的是，這種新行為，人們可以開發(fā)出更靈敏和更強大的量子技術(shù)。

2007 年，使用等離子體波進行炭疽檢測引發(fā)了對采用量子原理改進傳感器技術(shù)的研究。

目前，研究人員正在努力將這些原理集成到等離子體系統(tǒng)中，以創(chuàng)建具有更高靈敏度和精度的傳感器。這一進步在醫(yī)學(xué)診斷、藥物開發(fā)模擬、環(huán)境監(jiān)測和量子信息科學(xué)等不同領(lǐng)域都具有重大前景。

這項研究有望對量子等離子體學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響，因為世界各地的研究人員將利用這些發(fā)現(xiàn)進行量子模擬。助理研究教授兼通訊作者Chenglong You說：“我們的發(fā)現(xiàn)不僅揭示了量子系統(tǒng)中這種有趣的新行為，而且也是有史以來粒子數(shù)量最多的量子等離子體系統(tǒng)，僅此一項就將量子物理學(xué)提升到了另一個層次。

研究生和共同第一作者Mingyuan Hong領(lǐng)導(dǎo)了該研究的實驗階段。盡管量子等離子體系統(tǒng)很復(fù)雜，但Hong指出，他在實驗中的主要挑戰(zhàn)是外部干擾。

由于等離子體樣品的極高靈敏度，來自各種來源的振動（例如道路建設(shè)）構(gòu)成了重大挑戰(zhàn)。盡管如此，我們最終還是成功地從等離子體波中提取了量子特性，這一突破增強了敏感的量子技術(shù)。這一成就可能為未來的量子模擬開辟新的可能性。

該研究名為“表面等離子體的非經(jīng)典近場動力學(xué)”，完全在路易斯安那州立大學(xué)進行。Magaña-Loaiza說：“這項研究的所有作者都隸屬于路易斯安那州立大學(xué)物理與天文學(xué)。我們甚至有一位合著者，他當時還是一名高中生，我為此感到非常自豪”。這項新研究以以前的LSU工作為序。

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