由渥太华大学领导的国际科学家团队重新发明了一种将有机材料和光结合起来创造量子态的配方。

理学院超快太赫兹光谱研究小组负责人Jean-Michel Ménard教授与德国马克斯普朗克光科学研究所的Claudiu Genes 博士以及渥太华 Iridian Spectral Technologies 公司合作，设计了一种可以利用光的量子叠加有效地改变材料特性的设备。

该团队设计了一种二维平面谐振器(称为超表面)，用于捕获光。然后，他们使用喷涂技术，在该超表面上沉积一层薄薄​​的葡萄糖层，以诱导光与糖中的葡萄糖分子之间发生强烈的相互作用。

他们的概念使研究人员在技术上更接近于获取光和物质混合状态下量子系统的一些独特特性。

理学院教授 Ksenia Dolgaleva 和 Robert Boyd 与本文主要作者 Menard 教授一起参与了这项研究，Menard 教授在《自然通讯》上发表了相关研究成果。

问：您打算做什么?您发现了什么?

Jean-Michel Ménard： “我们提出了一种创新而有效的技术，通过结合光和物质来合成量子有机材料。当远透视 区域的光(频率为太赫兹 (THz))被困在有机材料中时，它可以与分子合并，从而产生一种量子态，这种量子态表现出独特的性质，由于它们在改变物质的物理和化学性质方面具有潜在应用，因此越来越受到人们的兴趣。这些有趣的状态仅在特定条件下出现。我们的团队确定了这些关键条件，并创建了一个“光子陷阱”或装置，可以在相当长的时间内有效地将光限制在小体积空间内。这个陷阱能够在光和分子集合之间建立强耦合机制。”

“与之前依赖由两个相对的镜子组成的光学腔体的方法不同，我们设计并测试了一种二维平面谐振器，即超表面。这种超表面有效地实现了平面几何结构内的光学限制，为探索强光与物质相互作用的量子态开辟了新的实用途径。

“最后，我们将超表面与传统腔体几何结构相结合，形成混合腔体结构，并观察到光与物质之间耦合强度的增强。这些结果通过葡萄糖得到证明，葡萄糖是一种具有生物和医学领域有用特性的有机化合物。”

问：为什么要使用太赫兹光和糖?

JM： “太赫兹光特别有趣，因为它可以诱导许多分子的振动，包括糖中的葡萄糖分子。分子振动的能量与其性质密切相关，包括它们与其他分子发生化学反应的能力。因此，通过设计平台，使太赫兹光与分子振动之​​间实现强耦合，分子是有机物质的基本组成部分，我们有可能改变它们的性质，从而有可能控制生命的基础机制。”

问：您最终通过研究发现了什么?

JM： “我们发现了将太赫兹光与物质耦合的有效方法。最有前景的概念是基于结构化的金属表面，即超表面，并将其融入光子腔的设计中。因此，光被双重捕获并紧紧限制在设备内。

“我们强大的即插即用平台允许将许多有机材料插入此设备中，以创建具有新属性的量子系统。这是因为无需精确对准设备即可捕获光线，因为这一关键条件主要由超表面的金属图案的几何形状满足。有趣的是，由于存在可扩展的制造技术来制造与太赫兹光相互作用的超表面，我们相信这些设备可以很快用于量子增强化学反应的实际应用。”

问：这项研究能带来什么样的影响?

JM：“这些结果使我们在技术上更接近于能够收获由光和物质的混合状态组成的量子系统的一些独特性质。通过对不同类型的光子谐振器进行系统的理论和实验研究，我们发现了一些新颖的光子谐振器设计，它们可以在远透视 光谱窗口的特定区域(称为太赫兹区域)中在分子材料、葡萄糖和光之间产生量子叠加。先前的研究表明，当这种混合过程涉及太赫兹光时，它会改变材料原来的物理和化学性质。例如，光子谐振器的存在可以改变涉及该材料的一些化学反应的速率。

“我们相信，未来这种方法可以帮助调节一些分子过程，从而应用于医学快速诊断和潜在的新治疗策略。”