近期，上海科技大学潘义明教授课题组联合中国工程物理研究院王少义副研究员及中国科学院上海光学精密机械研究所冷雨欣研究员课题组，深入研究了相对论激光与等离子体相互作用过程中超光速时空边界的作用机制，并首次从理论上证明了该过程可产生纠缠光子对。这一突破性发现不仅揭示了超光速时空边界的独特物理特性，还成功搭建了强场等离子体物理与量子光学之间的桥梁，为未来量子光源的开发提供了全新视角和理论支持。
相对论振荡镜（Relativistic Oscillating Mirror, ROM）模型是理解相对论激光与等离子体相互作用产生高次谐波（High Harmonic Generation, HHG）的经典理论框架。近年来，随着相对论等离子体物理研究的深入，科学家开始探索利用这一高速振荡边界研究量子真空效应的潜力，以及边界超光速运动对光脉冲的动态影响。动态卡西米尔效应（Dynamical Casimir Effect, DCE）作为一种通过机械运动激发量子真空产生光子的现象，已在微波波段获得实验验证，然而在可见光波段的实现仍面临技术瓶颈。与此同时，基于超光速边界的时间反射现象虽已在微波领域得到证实，但其在可见光波段的应用尚未突破。本研究通过拓展相对论振荡镜模型，聚焦三大目标：一是构建超光速时空边界；二是实现时间反射效应；三是通过压缩量子真空产生纠缠光子对，从而推动可见光波段动态卡西米尔效应的实验验证。
图1：通过激光诱导的相对论振荡等离子体片构建时空镜。a) 时空镜速度的变化对应于入射场的亚光速（空间反射）和超光速（时间反射）反射。b) 时间反射和折射表明，反射场的波矢与入射场和折射场的波矢一致，从而保持动量守恒。时间反射的主要特征是从时间边界产生新的光子。c) 相反，空间反射和折射表明，反射场的波矢与入射光和折射光的波矢方向相反，光频率守恒。d) PIC模拟结果显示，当P 偏振激光以入射角𝛼 = 30°斜入射到目标上时，界面𝜆s(t) 随时间的变化，激光振幅 a0 = 0.5，等离子体密度 ne = 4nc。白色曲线表示ne ≥ nc 的边界。e) 单个振荡周期的放大视图，突出显示了超光速界面。红色虚线表示光速𝑐，金色实线表示特定持续时间内的界面速度。
研究团队通过Particle-in-Cell（PIC）模拟，成功观测到相对论激光与等离子体相互作用中超光速边界的形成。他们将包含超光速运动的相对论振荡镜定义为一个时空边界（见图1），该边界同时支持亚光速区域的空间反射与折射，以及超光速区域的时间反射与折射（见图1）。尽管时间反射与折射已被理论证明可生成纠缠光子对，但其信号常被强空间反射和等离子体溅射产生的背景噪声所掩盖。为克服这一挑战，研究人员设计了一种创新实验方案（见图2），通过在靶材背面引入金属薄膜过滤反射场干扰，从而在靶材背部营造相对“纯净”的真空环境。这一设计巧妙融合了量子光学与强场等离子体物理，为探测纠缠光子对创造了条件。
图2：量光测量与强场高次谐波产生 (HHG) 联合测量的示意图。相对论性激光与涂覆金属薄膜的二氧化硅靶相互作用，激发相对论性振荡镜 (ROM) 作为时空镜的行为。在强场区探测到高次谐波，而在靶背面，时空镜产生的光子对则通过高次谐波干涉装置探测到。反射的高次谐波光谱和光子对通过符合测量同时成像。（左图）相对论性激光使靶表面完全电离，并促进致密等离子体的形成，从而形成时空镜。（右图）该时空镜可以在强场区产生高次谐波，并在量子光区挤压介电真空电磁场，产生纠缠光子。
研究进一步表明，该过程可有效模拟动态卡西米尔效应。由于高次谐波与纠缠光子对均源于高速振荡边界，这一机制为在可见光乃至极紫外（XUV）波段生成纠缠光子对提供了理论依据。理论计算（见图3）分析了激光强度、等离子体密度及相互作用时间等参数对光子对产率的影响，结果显示更高激光强度、更低等离子体密度及更长脉冲宽度显著提升光子对数量。此外，研究证实时空边界压缩真空产生的光子处于压缩态，并通过光子统计分布和Wigner函数加以验证（见图4）。借助HOM干涉技术，团队进一步确认了光子间的纠缠特性。
图3：光子对产生的特性，体现在激光强度、等离子体密度和相互作用时间（激光脉冲宽度）等物理参数方面。a) 激光强度越高，产生的光子对越多；等离子体密度越低，光子数量越多，也越有利于光子对的产生。激光脉冲宽度选择为 10TL。b) 相互作用时间越长，产生的光子越多，光子数量也随着脉冲宽度的增加而呈指数增长（子图）。具体而言，随着脉冲宽度从 4TL 增加到 12TL，光子数量从 0.1 增加到 4。
图4：时空镜产生量子光和高次谐波的共同起源。a) 频率为𝜔 = 𝜔L的量子光的Fock态分布呈现亚泊松分布。b) 谐波产生的阶数为奇数，而等离子体振荡为偶数。这种区别是由于高次谐波将等离子体片振荡频率与驱动频率相结合而产生的。c) 展示了HOM干涉测量g(2)的特性。当两臂之间没有延迟时，g(2)的下降特征表明两个发射光子是纠缠的。d) 展示了维格纳函数表示中1-3阶谐波的压缩真空态的特征，阶数越高，压缩效应越弱。
本研究不仅从理论上阐明了超光速时空边界在相对论激光等离子体相互作用中产生纠缠光子的机制，还为其实验验证提供了切实可行的方案。这一成果将强场等离子体物理与量子光学深度融合，为可见光波段动态卡西米尔效应和时间反射现象的实现奠定了基础。未来，团队计划继续探索在XUV波段生成非经典光源的可能性，以推动量子精密测量的技术革新。
该研究成果以题为“Superluminal Spacetime Boundary, Time Reflection and Quantum Light Generation From Relativistic Plasma Mirrors”发表在《Laser & Photonics Reviews》（DOI: 10.1002/lpor.202401986）上，第一作者为上海科技大学与上海光机所联合培养博士生潘晨浩，通讯作者为上海科技大学潘义明教授，中国工程物理研究院王少义副研究员以及上海光机所冷雨欣研究员。
文章链接：
https://doi.org/10.1002/lpor.202401986
