城大物理學家開創嶄新光誘導物質的量子理論，打開尖端光學技術發展大門

香港城市大學（城大）的物理學家最近提出一套嶄新的量子理論，能夠解釋物質的「光誘導相」並預測其新穎的功能。該全新理論有望為量子物理學領域和室溫下的量子調控帶來潛在的革命性的突破，並且為以光作為基礎的新一代科技發展，例如光通信、量子電腦計算及光採集技術，打開了新大門。

科學家們早已發現，物質除了傳統的固相、液相和氣相之外，尚存在其他奇異的相（exotic phases）。物質不同的「相」，會對應原子不同的空間排列方式，因而物質會呈現出不同的特性。「光誘導相（light-induced phases）」作為一種全新的「相」，近十年來引起了科學家們廣泛的關注。它被視為有潛質的新平台，幫助開發新一代的光伏太陽能板、化學平台以及現代量子技術。

領導這次研究的城大物理系助理教授張哲東博士說：「光敏分子的超快過程如電子轉移和能量重新分配，發生時間通常屬於飛秒（10^-15秒）級別。這快速的變化對發展捕光裝置、能量轉換和量子計算均具有廣泛的重要性。」他續說：「然而，對這些光敏分子超快過程的研究，過往一直充滿著模糊不清和問題。現時大多數有關光誘導相的理論都受到時間和能量尺度的瓶頸的制約。因此在超快的光脈衝的作用下，現有理論無法充分解釋分子呈現的瞬變特性和超快過程。這對物質光誘導相的探索帶來了根本的限制。」

為了解決這些難題，張博士和合作者為分子光誘導相以及相應的光信號，發展了一套嶄新的量子理論，屬全球首創。這套新理論透過嚴格的數學分析和數值模擬，解釋了分子在光激發下，實時的激發態動力學和光學特性，並成功克服了現有理論和技術的瓶頸。

這套新的量子理論將超快光譜學與量子電動力學相結合，並使用近代代數技巧來計算分子的非綫性動力學，為開發激光和材料表徵等高新技術應用奠定了基礎，繼而有助為光學檢測和量子計量學帶來新的設計原理。

「我們的新量子理論最吸引人的地方，在於發現了一群多個分子的協同運動呈現一種類似波（wave）的特性，能擴散至一定的距離之外。這在傳統研究中是無法實現的。而這種分子的集體運動甚至能夠穩定存在於室溫之中，而不是像以往那樣只能於超低溫的環境下出現。這意味著在室溫下對粒子運動作出精準的控制和感應，在現實上是可行的。這些或可開闢新的研究領域如集體驅動的化學（collectivity-driven chemistry），將為光化學的研究帶來革命性的轉變。」張博士補充道。

新的量子理論亦有助於指導設計下一代的捕光及光發射器件，以及改良激光的操作和檢測。通過光誘導分子的協同作用衍生出的相干性，更可以給出高亮度的輻射光源。研究中針對物質的光誘導相發展的光譜探測技術，則可以幫助開發新一代的光學傳感技術和量子計量方法。

從宏觀的角度來看，「光誘導相」更有可能實現一系列基於光技術的新穎跨領域應用，例如光通信、生物成像、化學催化控制，以及設計節能的捕光器件。

在不久的將來，研究人員將進一步探索多種量子材料中的光誘導相及其效應，並將基於量子糾纏發展新型光譜技術和檢測方法。

上述的最新研究結果發表於科學期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters），標題為〈Multidimensional coherent spectroscopy for molecular polaritons: Langevin approach〉。

張博士是該研究論文第一作者，他和美國加州大學爾灣分校的Shaul Mukamel教授均為通訊作者。其他合作的學者包括城大材料科學及工程學系的雷黨願博士，以及新加坡國立大學量子技術中心就讀的博士生聶嘯宇先生。研究的主要資金來源包括香港研究資助局和中國國家自然科學基金。