2012年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了法國科學(xué)家Serge Haroche和美國科學(xué)家David Wineland。他們兩位在過去數(shù)十年里，在光與原子(離子)相互作用的最基本層面上，即單量子態(tài)水平上展現(xiàn)腔量子電動(dòng)力學(xué)效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步促使人們又開始關(guān)注基于固體量子態(tài)的腔QED效應(yīng)及其量子調(diào)控。

　　固體與單原子(離子)相比，有著更豐富的量子態(tài)，這為發(fā)現(xiàn)更多新穎的腔QED效應(yīng)提供難得的機(jī)遇。而單個(gè)聲子態(tài)的激光冷卻和調(diào)控在量子態(tài)的制備和操控具有非常重要的作用。要實(shí)現(xiàn)光子-聲子系統(tǒng)的量子調(diào)控，首先要求目標(biāo)聲子處于量子基態(tài)，就要求聲子的有效溫度冷卻得足夠低。目前，單個(gè)聲子的激光超控研究主要集中在冷原子體系和光力諧振子中，迄今已取得了巨大的成就。通過激光冷卻的技術(shù)，人們可以將冷原子體系中的原子振動(dòng)或者光力諧振子中的力學(xué)聲子（Mechanical Phonon）進(jìn)行冷卻和放大，實(shí)現(xiàn)量子相干態(tài)和壓縮態(tài)制備、玻色－愛因斯坦凝聚、聲子受激發(fā)射和聲子激光器以及寬帶太赫茲頻率梳等。然而，冷原子和人工微納力學(xué)振子不但需要非常昂貴的實(shí)驗(yàn)裝置和復(fù)雜的制備工藝，而且由于這些系統(tǒng)中聲子的振動(dòng)頻率通常處于幾十MHz 到十幾個(gè)GHz 的量級，需要在液氦（4.2 K）或者更低（幾個(gè)mK）的溫度下工作，因此這些研究只局限于世界上少數(shù)的科研機(jī)構(gòu)，限制和阻礙了相應(yīng)科學(xué)的發(fā)展和器件的應(yīng)用。這就使得進(jìn)一步尋找和研究新奇的量子體系來實(shí)現(xiàn)聲子的激光調(diào)控成為非常緊迫和重要的課題。

　　不同于力學(xué)諧振子，晶體中由原子晶格振動(dòng)構(gòu)成的本質(zhì)晶格聲子（Intrinsic Lattice Phonon）具有更寬的頻譜范圍、更高的振動(dòng)頻率上限（幾十GHz到幾十THz）和更大的色散特性，因此非常適合基于聲子的室溫量子調(diào)控。一些研究成果已經(jīng)展示了光子與晶格聲子可控耦合的可能性，比如人們已經(jīng)利用金剛石中的光學(xué)聲子模式來實(shí)現(xiàn)量子糾纏和量子模擬。

　　最近，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所半導(dǎo)體超晶格國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員張俊課題組和新加坡南洋理工大學(xué)教授熊啟華合作，利用聲子-激子的強(qiáng)耦合下光對縱光學(xué)（LO）聲子產(chǎn)生的Fröhlich作用力，在半導(dǎo)體ZnTe 納米帶中實(shí)現(xiàn)了單個(gè)縱光學(xué)（LO）聲子的可分辨邊帶拉曼冷卻和加熱。他們的結(jié)果證明了在激子-聲子強(qiáng)耦合下，完全可以實(shí)現(xiàn)對半導(dǎo)體中單個(gè)光學(xué)聲子態(tài)的光學(xué)操控。在他們的實(shí)驗(yàn)中，LO 聲子的頻率約7 THz，即使在室溫下，LO 聲子已經(jīng)接近量子基態(tài)，因此通過將LO 聲子和光子進(jìn)行強(qiáng)耦合，可為實(shí)現(xiàn)室溫環(huán)境下固體量子信息和量子計(jì)算提供一個(gè)非常簡單的平臺。該研究工作最近發(fā)表在《自然-光子學(xué)》（Nature Photonics 10, 600–605 （2016）) 上，這一工作不但對于基于聲子的固體量子調(diào)控和量子計(jì)算有著重要的意義，而且對于實(shí)現(xiàn)THz頻率聲子激光器和固體材料的拉曼冷卻提供了可能。同一期《自然-光子學(xué)》在News & View中對該工作進(jìn)行了報(bào)道（Nature Photonics 10, 566–567 （2016））。

　　張俊是該論文的第一作者和共同通訊作者，該工作得到了中組部青年千人計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委、國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目和中科院盧嘉錫國際團(tuán)隊(duì)的大力支持。

半導(dǎo)體所等實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體中光學(xué)聲子的可分辨邊帶拉曼冷卻