湖南师范大学团队：超强耦合系统的双极化激元阻塞效应

近日，湖南师范大学物理与电子科学学院团队发现，在超强耦合光-原子系统中，由不可忽略的反旋波项所诱导的多极化激元发射过程，不仅会抑制单极化激元阻塞（1PB），还能够实现单极化激元共振的双极化激元阻塞（2PB）效应。这一现象与弱耦合和强耦合体系中的典型行为截然不同，为实现多极化激元的操控与新型量子光源的构建提供了新的可能性。相关研究成果以“Two-Polariton Blockade via Ultrastrong Light-Matter Coupling”为题，发表于国际物理学权威期刊《Physical Review Letters》。论文通讯作者为湖南师范大学、国防科技大学景辉教授和日本理化学研究所黄然研究员，第一作者为湖南师范大学博士后马婷婷。

超强耦合（USC）是指光与物质之间的耦合强度达到与腔场频率可比拟的量级（通常定义为其比值超过0.1）。在此区域内，旋波近似不再成立，反旋项的贡献变得不可忽略，系统必须采用完整的量子拉比模型来描述。凭借其高效的相互作用机制，USC已在多种物理平台中得以实现，包括超导量子电路、半导体量子阱、有机分子和光力系统等，并催生了超快量子门、增强的相干性及持久量子存储等一系列超越传统强耦合（SC）范畴的新奇量子现象。

在强耦合体系中，一个典型的非线性效应是单极化激元阻塞：由于能级结构的非简谐性，单个极化激元的存在会抑制第二个极化激元的激发，这一效应对单粒子源构建与量子信息处理具有重要意义。然而，近年来研究发现，在USC体系中，尽管能级的非简谐性有所增强，反旋项所引入的多粒子跃迁通道却会在单极化激元共振激发条件下削弱传统意义上的阻塞效应，甚至使其转变为光子聚束行为（Phys. Rev. Lett. 109, 193602 (2012)）。这一现象引出了一个根本性的科学问题：当单极化激元阻塞在USC体系中失效时，是否会有其他新型的、增强的量子效应浮现出来？目前，关于多极化激元阻塞，特别是双极化激元阻塞在USC中的行为，仍属一个鲜有涉足的研究领域，其背后的物理机制尚待进一步揭示。

研究亮点

这一发现首次揭示，在超强耦合体系中，即便在单极化激元共振激发条件下，系统仍可呈现双极化激元阻塞效应。该行为与强耦合体系形成鲜明对比——后者在相同条件下仅能实现单极化激元阻塞。此类双极化激元阻塞效应在弱耦合与强耦合体系中均无法实现，标志着进入超强耦合后系统统计行为发生了质的跃迁。

由于USC体系中旋转波近似失效，传统的光子算符已不能准确描述物理过程。该工作采用了基于系统本征态的修正高阶关联函数，从而严格给出了USC中的极化激元统计特性。提出了出现2PB的判据：即必须同时满足双极化激元聚束和三极化激元反聚束 。进一步通过延迟时间关联函数，证实了2PB的动态特性，排除了其他统计效应的干扰。即出现2PB时，延迟关联函数需要满足以下条件：

通过计算不同缀饰态之间的跃迁速率，本研究揭示了双极化激元阻塞（2PB）效应的物理起源。在超强耦合区域（例如 ），原本在强耦合条件下被禁止的跃迁通道被激活。系统通过的级联衰变路径，实现了极化激元的成对发射（即聚束效应），同时有效抑制了三极化激元过程（即反聚束行为）。进一步分析表明，当耦合强度超过临界值时，2PB效应开始显著显现，明确揭示了从单极化激元阻塞（1PB）向双极化激元阻塞（2PB）转变的阈值特性。

总结与展望

撰稿：课题组