由香港城市大學（CityU）物理學家領導的一個團隊最近開發了一個新的量子理論，解釋了物質的”光誘導相”，並預測了其新的功能。這個新理論有可能徹底改變量子光子學和室溫下的量子控制領域。它還為各種基於光的下一代應用打開了大門，如光通信、量子計算和光收集技術。

基於新量子理論提出的分子光誘導相的時間分辨光譜學示意圖。在激發分子的激光脈沖之後，發射信號被收集到探測器中，產生實時域的激子動態的多維成像。資料來源：張哲東博士/香港城市大學

科學家們已經發現了物質中的奇異相，除了通常的相之外，還被稱為固相、液相和氣相。而在不同的階段中，原子在空間中經歷了某些排列，物質可能具有不同的屬性。作為新發現的相的一個類別，光誘導相在過去十年中引起了科學家的廣泛關注，因為它們被認為是新的光伏板和新的化學平台的一個有希望的平台，也是現代量子技術的一個新途徑。

張哲東博士（右二）和他在香港城市大學的研究小組。資料來源：張哲東博士/香港城市大學

領導這項研究的香港城市大學物理系助理教授張哲東博士解釋說：”光活性分子的超快過程，如電子轉移和能量再分配，通常在飛秒級（10-15秒），對光收集裝置、能量轉換和量子計算具有廣泛的重要性。然而，關於這些過程的研究充滿了不確定性。大多數現有的與光誘導階段有關的理論都受到時間和能量尺度的瓶頸，因此無法解釋短激光脈衝發揮作用時分子的瞬時特性和超快過程。這些給探索物質的光誘導相帶來了基本限制”。

為了解決這些困難，張博士和他的合作者為分子的光誘導相的光學信號開發了一個新的量子理論，這在世界上是第一次。新理論通過數學分析與數值模擬相結合，實時解釋了分子的激發態動力學和光學特性，克服了現有理論和技術帶來的瓶頸。

新理論將先進的量子電動力學融入超快光譜學。它使用現代代數來解釋分子的非線性動力學，這為開發最先進的激光和材料表徵的技術應用奠定了基礎。因此，它為光學檢測和量子計量學提供了新的原則。

“我們的新理論特別令人著迷的是，分子團的合作運動顯示出類似於波浪的行為，它在一定距離內擴散。這在傳統研究中是無法實現的。而且這種集體運動可以在室溫下存在，而不是以前只在超低的低溫下存在。這意味著在室溫下對粒子運動的精確控制和感應可能是可行的。”張博士說：”這可能開闢新的研究領域，例如集體驅動的化學，有可能徹底改變光化學的研究。”

新的量子理論促進了下一代光收集和發射裝置的設計，以及激光操作和檢測。從光誘導的分子合作性中出現的相干性可能導致光的明亮發射。研究中對光誘導的物質相位的光譜探測可以幫助利用下一代光學傳感技術和量子計量學。

在更大的範圍內，光誘導相可能實現各種基於光的新型跨學科應用，如光通信、生物成像、化學催化的控制，以及以節能的方式設計光收集裝置。

在不久的將來，研究人員計劃探索光誘導相及其對量子材料的影響，並在量子糾纏的背景下開發新的光譜技術和檢測。

這些發現發表在科學雜誌《物理評論快報》上，標題為”分子極子的多維相干光譜學： Langevin方法”。