图1：研究人员用于表征半导体腔中极化激元流体的“泵浦探针”设置示意图。“泵浦”激光脉冲（红色）通过光激发产生极性子。通过测量“探针”脉冲不同入射角下的腔反射率，该团队获得了极化激元色散曲线。
超流性，即流体无摩擦地流动的能力，并不局限于流体动力学所描述的系统。十多年前，光学研究人员开始对超流体和其他量子流体产生兴趣，这是因为认识到在非线性介质中传播的光可以表现出量子流体动力学特征。研究这些“光的流体”出现了两个平台：光子被限制在其中的半导体微腔和光子在散装介质中传播的传播几何结构。这两种配置都允许光子获得有效质量并经历有效的相互作用——这些特性可以导致它们共同表现为量子流体。然而，我们对这些奇异状态的理解受到实验限制的阻碍——特别是探测作为量子流体行为标志的集体激发的困难。现在来自法国索邦大学Kastler-Brossel实验室的费迪南德·克劳德（Ferdinand Claude）及其同事对极化子的量子流体进行了前所未有的详细描述——准粒子是由半导体微腔中光子和激子的强耦合产生的。他们的方法有望探索新的量子流体体系，包括一些可以用作重力模拟模型的体系。
半导体微腔提供了一个强大的平台来观察光子流体动力学效应。当这种腔体被频率与腔体共振相匹配的电磁波照射时，垂直于腔体平面的波矢分量将被量子化。结果，该波矢量分量与光子频率之间的关系表现出赋予光子有效质量的二次相关性。同时，激光照射产生束缚空穴电子态，称为激子。空腔中光子和激子之间的耦合产生称为极化子的准粒子，它继承了光子和激子的特性。这些极化子的质量由激子有效质量和光子有效质量决定，它们通过激子-激子耦合相互作用。因此，它们可以共同表现为大量相互作用的粒子流，即量子流体。在过去十年中，极化子系统确实显示出从玻色-爱因斯坦凝聚到超流的量子流体行为。
腔极化激元和二维量子流体之间的相似性超出了这种定性描述，因为两个系统的时间演化都由相同的数学形式决定：即所谓的Gross-Pitaevskii方程。量子流体行为的一个标志是集体激发的存在——特别是在静止流体表面传播的小密度扰动。这种传播由类似Bogoliubov的色散关系描述，该关系具有类似声音的区域（大尺度上的线性能量-动量关系）和类似自由粒子的区域（小尺度上的抛物线关系）。Claude和同事专注于这些集体激发的定量测量，也称为Bogoliubov波。
与传播几何结构不同，腔极化激元系统需要Bogoliubov理论的扩展——这是极化激元不平衡性质的结果，极化激元通过激光光激发产生并具有有限的寿命。这种差异意味着在实验数据的获取和利用方面存在挑战。Bogoliubov激发的测量包括使用“泵浦”激光激发极化子，然后检测极化子衰变时产生的光致发光。在早期的研究中，泵浦激光频率远离腔共振——这有助于泵浦光子与光致发光光子的分离。然而，非共振激发会产生范围广泛的极化子，其中一些不属于量子流体。它们的存在扭曲了测量的光谱，特别是在那些预计会出现超流特征的区域（低波数）。另一种方法是用近共振泵或共振泵（必须从光致发光光子中滤除）照亮腔体。然而，这种方法没有足够的能量分辨率来观察Bogoliubov色散曲线的许多细微特征。
得益于该小组之前开发的基于相干探针光谱学的创新技术，研究人员能够克服这些限制。在该技术中，泵浦脉冲之后是可调谐激光场，用于探测Bogoliubov激发。探测激光器允许将信号与流体的背景发射隔离开来，从而使设置能够以前所未有的空间和光谱分辨率访问极化流体的特征。
通过一系列实验，Claude及其同事对极化流体集体激发的分散进行了全面表征。对于给定的泵浦能量，他们针对不同角度的探测光束测量腔体的反射率（图1）。对于每个角度，当探头与集体极化子激发共振时，反射率都会下降，这使研究人员能够用不同的波矢量表征Bogoliubov激发，从而重建色散关系。此外，他们利用光束的高斯形状使他们的实验结果符合解释这种形状的理论预测——这一过程使他们能够提取极化流体中的声速。
在超流体中，Bogoliubov色散关系有两个分支，一个是正常色散，一个是负色散，也称为幽灵分支。后一个分支之所以得名，是因为它很难激发——因此也很难观察。泵浦探针装置的精妙灵敏度以前曾让LKB研究人员克服了这一实验困难，并在其腔体的反射率测量中找到了这种幽灵分支的踪迹。这项新工作显着改善了两个分支的表征，特别是对于迄今为止表征不佳的色散曲线区域，例如与低波数相对应的区域。该团队还能够观察到流体密度和其他参数如何影响声速的新细节，并表征各种流体不稳定性的发生。
由于这项研究，量子流体的框架获得了一定程度的实验控制，为更广泛的极化流体定量研究铺平了道路。通过探测与标准量子流体行为的微小偏差，该装置将使对量子流体动力学的前所未有的洞察成为可能。更重要的是，它可能使极化子系统能够用作重力的光学模拟，可用于模拟与天体物理学、宇宙学和量子引力相关的难以探测的现象。
这项研究于5月8日发表于《Phys. Rev. B》国际期刊上。
DOI：10.1103/PhysRevB.107.174507
