近年來(lái)，糾纏光子對(duì)作為一種常見(jiàn)的量子光源，已被廣泛的應(yīng)用于量子成像、光學(xué)干涉測(cè)量、量子計(jì)算、量子通訊等領(lǐng)域。自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換結(jié)合能量動(dòng)量守恒導(dǎo)致兩個(gè)光子在時(shí)間和空間上具有一定的關(guān)聯(lián)性質(zhì)。這種非經(jīng)典關(guān)聯(lián)特性使得糾纏光在成像和探測(cè)領(lǐng)域中能夠突破經(jīng)典成像的衍射極限。

分子光譜學(xué)中的突出問(wèn)題之一是追蹤飛秒尺度的超快電子過(guò)程。電子相干性的動(dòng)力學(xué)尤為重要。但受限于時(shí)-頻分辨率以及非輻射弛豫通道的影響，已有的拉曼技術(shù)已無(wú)法勝任。

鑒于此，香港城市大學(xué)張哲東助理教授及其合作者發(fā)現(xiàn)了如果使用糾纏光子對(duì)來(lái)研究這種快速電子過(guò)程，會(huì)得到更高的自由度以及分辨率，因而開(kāi)發(fā)了一種具有飛秒分辨率的量子相干拉曼光譜。這種量子飛秒光譜同時(shí)具有較高的時(shí)間和頻譜分辨率。并且因?yàn)槠鋬H對(duì)電子相干性敏感，使得它特別適合在約 50飛秒的短時(shí)間尺度內(nèi)研究電子激發(fā)態(tài)動(dòng)力學(xué)。

該成果以“Entangled Photons Enabled Time-Frequency-Resolved Coherent Raman Spectroscopy and Applications to Electronic Coherences at Femtosecond Scale”為題發(fā)表在Light: Science & Applications。香港城市大學(xué)張哲東助理教授為論文通訊作者，香港城市大學(xué)張哲東助理教授和美國(guó)得克薩斯農(nóng)工大學(xué)彭濤研究員為共同第一作者，新加坡國(guó)立大學(xué)博士研究生聶嘯宇，美國(guó)得克薩斯農(nóng)工大學(xué)的Girish Agarwal 教授及Marlan Scully教授為文章的共同作者。

基于飛秒相干反斯托克斯拉曼散射，研究人員提出使用糾纏光子作為探測(cè)光，同時(shí)利用閑頻光作為預(yù)報(bào)光子。當(dāng)物質(zhì)的特征頻率過(guò)于靠近時(shí)，經(jīng)典的飛秒相干拉曼散射方法是無(wú)法獲得足夠的頻譜分辨率的，因?yàn)楣庾拥臅r(shí)間-頻率共軛性。如圖1所示，在量子相干反斯托克斯拉曼過(guò)程中，由來(lái)自于經(jīng)典脈沖激光的一個(gè)泵浦光子和一個(gè)斯托克斯光子，以及來(lái)自于糾纏光的探測(cè)光子同時(shí)與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生一個(gè)反斯托克斯光子。不同于直接探測(cè)反斯托克斯光的頻譜信號(hào)， 研究人員對(duì)反斯托克斯光和閑頻光兩個(gè)探測(cè)器信號(hào)進(jìn)行符合計(jì)數(shù)探測(cè)，避開(kāi)了光子的時(shí)間-頻率共軛性，從而同時(shí)實(shí)現(xiàn)時(shí)間和光譜的高分辨率。

圖1：（上圖）糾纏光子作為超快探測(cè)場(chǎng)及光子符合關(guān)聯(lián)計(jì)數(shù)；（下圖）Quantum FAST CARS的能級(jí)示意圖以及甲烷分子的Quantum FAST CARS信號(hào)的計(jì)算結(jié)果

不僅如此，這種技術(shù)可以進(jìn)一步被應(yīng)用與對(duì)激發(fā)態(tài)電子的相干性探測(cè)。如圖2所示，為了觀測(cè)分子激發(fā)態(tài)中電子相干性的超快動(dòng)力學(xué)，探測(cè)光必須在諧振光激發(fā)或激發(fā)態(tài)傳播延遲 T 時(shí)刻之后與分子作用。此時(shí)糾纏光子被激發(fā)態(tài)相干散射從而產(chǎn)生拉曼信號(hào)。由于閑頻光具有額外的頻率自由度，因此提供了新的自由度和高分辨率。如圖2所示，量子相干拉曼光譜能夠給出超越經(jīng)典分辨極限的光譜信息，從而清晰展示各個(gè)激發(fā)態(tài)的電子動(dòng)力學(xué)。

值得一提的是，作者還創(chuàng)造性的使用外差探測(cè)的方式，使得探測(cè)電子的相位信息成為可能。因?yàn)殡娮诱駝?dòng)狀態(tài)能通過(guò)高光譜分辨率來(lái)記錄，人們可以選擇性地跟蹤相干相位的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的快速振蕩。

圖2：（左）QFRS的能級(jí)示意圖，（右）對(duì)比糾纏光作為探測(cè)產(chǎn)生的QFRS信號(hào)和經(jīng)典激光脈沖作為探測(cè)產(chǎn)生的超快拉曼信號(hào)，其中分子是4-oriented amino-4’nitrostilbene。結(jié)果顯示糾纏光給出更高的分辨率，具有強(qiáng)烈的量子優(yōu)勢(shì)

量子飛秒拉曼光譜技術(shù)僅利用糾纏光的量子特性，實(shí)現(xiàn)了拉曼光譜的時(shí)-頻超分辨。該技術(shù)使得時(shí)間分辨光譜中可以完全看到電子相干性的快速振蕩和衰減。這種時(shí)間和光譜分辨的性質(zhì)在傳統(tǒng)的拉曼光譜中是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

量子飛秒拉曼光譜作為一種新的相干拉曼技術(shù)，大大擴(kuò)展了糾纏光的應(yīng)用領(lǐng)域，為低維半導(dǎo)體材料、激子極化子，有機(jī)分子和納米等離子體等物理及化學(xué)系統(tǒng)中的超快動(dòng)力學(xué)提供了新的視角。

| 論文信息 |

Zhang, Z., Peng, T., Nie, X. et al. Entangled photons enabled time-frequency-resolved coherent Raman spectroscopy and applications to electronic coherences at femtosecond scale. Light Sci Appl 11, 274 (2022). 

https://doi.org/10.1038/s41377-022-00953-y

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