【蔻享科讯】德国马普所郭领阵博士及合作者首次报道在实验上观察到巨原子的非指数衰减行为

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背景介绍

现代物理学的核心课题之一是研究物质与场的相互作用，比如原子与电磁场的相互作用。通常情况下，原子的尺寸总是远远小于光的波长。因此，人们可以把原子看做点状粒子，更无需要考虑光穿过原子所用的时间，这些条件是传统量子光学的研究框架。

近些年来由于超导线路实验技术的进步，人们已经可以实现尺寸在百微米量级的“人工原子”。这些人工原子通常是由所谓的超导量子干涉仪（SQUID）并联上一些电容或电感元件构成。它们不仅能和电磁波耦合，也能通过压电效应和一些半导体材料（比如砷化镓）的表面声波耦合起来。表面声波正如其名，只沿材料的表面传播并且波长只有几微米。这些人工原子由于尺寸远远大于表面声波的波长，故被称之为“巨原子”。更进一步，由于声波的传播速度比光速小了5个量级（大约3000米每秒），所以有时也不得不考虑声波穿过人工原子所产生的延时效应，然而，这种延时效应通常不会发生在真实原子身上。比如，声波穿过550微米长的人工原子需时大约190纳秒，这意味着对于光而言，真实原子尺寸要达到60米长才会有相同的延时。因此，巨原子的研究完全突破了传统量子光学所设定的框架，大大拓展了量子光学的研究领域，需要发展新的理论框架来处理。

2017年，我及合作者首次提出了描述单个量子体系中的延时问题的巨原子模型（Phys. Rev.A 95, 053821, Editor's suggestion）。该工作预言了巨原子一系列不同于点原子的行为，比如巨原子自发辐射不服从指数衰减而服从普适的幂律衰减等等。这引起了人们对单个量子体系中的非马尔科夫效应越来越多的关注，一些实验研究组也在努力验证这些预言。

实验重大突破

2019年8月12日，我与瑞典查尔姆斯理工大学PerDelsing教授（瑞典皇家科学院和工程院院士，2014年诺贝尔物理学奖评委会主席）所领导的实验组合作在《自然•物理》杂志在线发表题为"Non-exponential decay of a giant artificial atom"的研究论文（我与Delsing教授共为通讯作者），首次报道了在实验上观察到了巨原子的非指数衰减行为，和之前的理论预言完全吻合。 
该工作有重要意义：一方面，为巨原子的理论研究建立了坚实的实验基础，相信之后会有越来越多的工作来发展超越传统量子光学的理论框架；另一方面，单个原子的非马尔科夫效应也为人们进行量子信息处理开辟了一条新路，比如实现Lukin等人于2017年提出的基于集团态的量子计算方案（M. D. Lukin et al, PNAS 114,11362)。

个人简介

图 | 郭领阵
郭领阵，本科和研究生就读于北京师范大学，于2013年7⽉获凝聚态物理博⼠学位（与德国卡尔斯鲁厄理工学院联合培养）。2013年7⽉⾄2014年8⽉，在卡尔斯鲁厄理工学院理论固体研究所做博⼠后研究。2014年9⽉⾄2015年8月，在瑞典查尔姆斯理⼯⼤学微米技术与纳米科学学院（MC2）做博士后研究。2015年9⽉⾄2017年8月，重回卡尔斯鲁厄理工学院理论固体研究所，主持一项由德国卡尔蔡司基金会资助的研究项目（为期两年，总共20万欧元）。2018年至今，在德国马克斯·普朗克光学研究所做高级博士后，研究方向包括量子光学、量子多体物理以及机器学习在物理中的应用等。
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