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“真空不空”:拉曼散射与真空量子涨落

早在1917年,爱因斯坦就预言了受激辐射的存在,并推导出一个联系受激辐射和自发辐射速率的方程,即所谓的爱因斯坦系数(Einstein A and B coefficient)。他的这个方程成为理解光和物质相互作用的经典,并奠定了日后激光器的工作原理。有趣的是,拉曼光学也分为自发散射和受激散射两种。自发拉曼散射广泛用于物质的分子结构分析,可以用于识别物质成分、分析化学键特性等。传统光子学理论认为自发拉曼散射是一个极弱的过程,其反应截面(σRaman)比紫外-可见光吸收等线性过程要弱13-15个数量级。另一方面,受激拉曼散射(stimulated Raman scattering, SRS)因其极高的灵敏度和时空分辨率,近些年来在材料科学、生物医学成像、代谢组学等领域受到越来越多的应用。然而,尽管两者都在科学研究中扮演着关键角色,文献中却鲜有讨论这两种现象之间强度联系的深入解析。


受到爱因斯坦系数揭示的关于自发辐射和受激辐射的对称性的启发,美国哥伦比亚大学闵玮教授和博士生高新二人尝试将自发拉曼散射与受激拉曼散射联系起来。作者首先定义了受激拉曼散射截面(σSRS)的概念,力求把受激拉曼散射的强度量化并与自发散射区分开。然后作者根据量子电动力学(QED)中的“真空不空”的物理思想,将真空电磁场的零点能涨落作为受激拉曼散射中斯托克斯光束的来源,通过计算来源于真空量子涨落的虚光子通量密度,将自发拉曼散射截面与受激拉曼散射截面联系到一起,并成功推导出了二者的转换方程。作者还通过对甲醇这一模式化合物的实验结果进行分析支持了理论的正确性。


作者所推导的类爱因斯坦系数的方程对理解拉曼光学提供了新的物理视角。作者指出,受激拉曼散射截面实际上是一种剥离了真空耦合的分子内在物理量,它用于表征拉曼散射期间的本征分子响应,而自发拉曼散射可以理解成是其在真空作用下的一种表观物理效应。方程定量地展示了为何自发拉曼散射截面看起来如此微弱:在一般的拉曼光谱实验条件下,自发拉曼散射可以看作是由真空提供了几微瓦 (µW) 斯托克斯功率的受激拉曼散射。真空的微弱贡献正是自发拉曼截面如此之小的原因。而受激拉曼散射截面相比之下却远非微弱,许多情况下其强度甚至远超常规预期。


与常识相悖的是,真空并非为一成不变的常量。相反,通过对边界条件的控制,真空参数是可以被操控的,例如近年来对偏振子(polariton)和谐腔(cavity)的研究。作者指出,通过结合实验观测和理论模型,拉曼截面可以更好地帮助理解量子场论中的基本概念,如真空波动和虚光子,并可能对量子信息科学、天体物理和其他尖端技术产生深远影响。


除此以外,作者通过联系化学动力学中反应级数的概念,将常见的光子学过程总结为三个级别,并将各个过程的相互联系表现在一张图上。作者提出只有作为分子本身内在性质的光学截面可以互相比较。在这一统一框架下,自发拉曼散射和荧光分别是受激拉曼散射和受激辐射在真空作用下的表观量。


总的来说,通过对受激拉曼的理论研究,闵玮团队发现自发拉曼可以看作是真空涨落(虚光子)所驱动的受激散射现象。这一观点也符合当代物理学对“真空不空”的前沿诠释。该理论对现在蓬勃发展的受激拉曼显微术也有强烈的指导意义。


这一成果近期已经被选为特色文章(featured article)发表在Journal of Chemical Physics 上,作者是哥伦比亚大学闵玮教授和博士生高新。论文受邀刊登在刚刚荣获2023年诺贝尔化学奖的Louis E. Brus教授的纪念刊。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Raman Scattering and Vacuum Fluctuation: An Einstein-Coefficient-like Equation for Raman Cross Sections

Wei Min, Xin Gao 

J. Chem. Phys., 2023159, 194103. DOI: 10.1063/5.0171382


导师介绍

闵玮

https://www.x-mol.com/university/faculty/1407 


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