城大物理学家开创崭新光诱导物质的量子理论，打开尖端光学技术发展大门

香港城市大学（城大）的物理学家最近提出一套崭新的量子理论，能够解释物质的“光诱导相”并预测其新颖的功能。该全新理论有望为量子物理学领域和室温下的量子调控带来潜在的革命性的突破，并且为以光作为基础的新一代科技发展，例如光通信、量子电脑计算及光采集技术，打开了新大门。

科学家们早已发现，物质除了传统的固相、液相和气相之外，尚存在其他奇异的相（exotic phases）。物质不同的“相”，会对应原子不同的空间排列方式，因而物质会呈现出不同的特性。“光诱导相（light-induced phases）”作为一种全新的“相”，近十年来引起了科学家们广泛的关注。它被视为有潜质的新平台，帮助开发新一代的光伏太阳能板、化学平台以及现代量子技术。

领导这次研究的城大物理系助理教授张哲东博士说：“光敏分子的超快过程如电子转移和能量重新分配，发生时间通常属于飞秒（10^-15秒）级别。这快速的变化对发展捕光装置、能量转换和量子计算均具有广泛的重要性。”他续说：“然而，对这些光敏分子超快过程的研究，过往一直充满着模糊不清和问题。现时大多数有关光诱导相的理论都受到时间和能量尺度的瓶颈的制约。因此在超快的光脉冲下，现有理论无法充分解释分子呈现的瞬变特性和超快过程。这对物质光诱导相的探索带来了根本的限制。”

为了解决这些难题，张博士和合作者为分子光诱导相以及相应的光信号，发展了一套崭新的量子理论，这属全球首创。这套新理论透过严格的数学分析和数值模拟，解释了分子在光激发下，实时的激发态动力学和光学特性，并成功克服了现有理论和技术的瓶颈。

这套新的量子理论将超快光谱学与量子电动力学相结合，并使用近代代数技巧来计算分子的非线性动力学，为开发激光和材料表征等高新技术应用奠定了基础，继而有助为光学检测和量子计量学带来新的设计原理。

“我们的新量子理论最吸引人的地方，在于发现了一群多个分子的协同运动呈现一种类似波（wave）的特性，能扩散至一定的距离之外。这在传统研究中是无法实现的。而这种分子的集体运动甚至能够稳定存在于室温之中，而不是像以往那样只能于超低温的环境下出现。这意味着在室温下对粒子运动作出精准的控制和感应，在现实上是可行的。这些或可开辟新的研究领域如集体驱动的化学（collectivity-driven chemistry），将为光化学的研究带来革命性的转变。”张博士补充道。

新的量子理论亦有助于指导设计下一代的捕光及光发射器件，以及改良激光的操作和检测。通过光诱导分子的协同作用衍生出的相干性，更可以给出高亮度的辐射光源。研究中针对物质的光诱导相发展的光谱探测技术，则可以帮助开发新一代的光学传感技术和量子计量方法。

从宏观的角度来看，“光诱导相”更有可能实现一系列基于光技术的新颖跨领域应用，例如光通信、生物成像、化学催化的控制，以及设计节能的捕光器件。

在不久的将来，研究人员将进一步探索多种量子材料中的光诱导相及其效应，并将基于量子纠缠发展新型光谱技术和检测方法。

上述的最新研究结果发表于科学期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）上发表，标题为〈Multidimensional coherent spectroscopy for molecular polaritons: Langevin approach〉。

张博士是该研究论文第一作者，他和美国加州大学尔湾分校的Shaul Mukamel教授均为通讯作者，其他合作的学者包括香港城大材料科学及工程学系的雷党愿博士以及于新加坡国立大学量子技术中心就读的博士生聂啸宇先生。研究的主要资金来源包括香港研究资助局和中国国家自然科学基金。