近日，华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室、精密光谱科学与技术高等研究院潘登研究员与徐红星院士合作，在热光场调控与时变光学系统研究领域取得重要进展。研究团队建立了时间调制介质中真空场涨落与热光子行为的统一理论框架，并进一步揭示了一种全新的物理机制——“热光子重排效应”（Thermal Photon Rearrangement, TPR）。相关成果以《Driving thermal vacuum photons by time-modulated media》为题发表于 Physical Review Letters。

研究背景

    在量子电动力学中，即使在绝对零度下，电磁场仍然存在不可消除的真空涨落。这种真空涨落能够引发一系列重要物理现象，例如兰姆位移、电子反常磁矩以及卡西米尔效应等。与此同时，在有限温度条件下，热激发会产生大量热光子，它们广泛存在于各种自然与人工物理系统中。许多真空涨落相关效应在有限温度下也存在对应形式，例如有限温度下的卡西米尔效应可对应为范德瓦尔斯相互作用。因此，真空涨落与热光子效应本质上具有统一的理论基础。

    近年来，时间调制介质作为一种新兴的光场调控平台受到广泛关注。通过动态改变材料参数，人们可以实现对光子的频率、动量乃至拓扑性质的调控。对于真空场而言，时间调制能够将真空涨落转化为真实光子对。这一过程对应于量子光学中的自发参量下转换过程，在动态卡西米尔领域被称为动态卡西米尔效应（Dynamical Casimir Effect, DCE）；而在近期受到关注的光学时间晶体研究中，则体现为动量带隙的形成。此外，一些理论研究还指出，在有限温度背景下，时间调制能够诱导热光场能流，并可能产生光学制冷等效应。

研究亮点

    证明光子数“赝守恒定理”

    然而，相较于传统静态介质，时间调制介质中的真空场与热光场之间长期缺乏统一的理论描述。这种缺失限制了人们对相关非平衡光场动力学机制的深入理解。针对这一问题，研究团队首先建立了一套适用于时间调制系统的量子散射理论统一框架，实现了对真空场与热光场过程的统一描述。基于这一理论，研究人员证明了时间调制介质中的光子数“赝守恒定理”：动态调制虽然能够产生新的纠缠光子对，但除去这些新产生的光子后，原有热光子的总数保持守恒。

    提出“热光子重排效应”

    基于这一发现，研究团队进一步提出了“热光子重排效应”概念，从理论上将热光子输运与真空场中的动态卡西米尔效应统一起来。如图1所示，在动态卡西米尔效应中，时间调制介质将真空涨落散射为纠缠光子对，仅产生向外传播的真实光子能流；而在热光子重排效应中，热光子虽然总数守恒，但会在频率与动量空间中发生重新分布，从而形成新的热光子输运行为。

    热光子输运的灵活调控

    具体模型中，研究团队分析了时间调制薄膜体系的行为规律。结果发现，在单层结构中，热光子重排主要表现为频率空间中的重新分布，不同频段会分别出现热光子的流入与流出；而在双层结构中，通过引入调制相位差，可以进一步打破空间对称性，实现热光子的定向输运。这意味着，仅通过时间调制即可实现对热流方向与分布的灵活调控。

总结与展望

该研究不仅揭示了热真空场中的全新动力学机制，也为非平衡量子热力学、热辐射调控、光子输运、光学非互易器件、辐射制冷与能量管理等研究方向提供了新的理论基础。研究还指出，相关效应能够通过电光调制、非线性光学以及载流子注入等多种成熟实验手段实现。该工作为理解与调控热光子行为提供了全新视角，有望在纳米光子学与量子光学交叉领域催生新的研究方向。 

图1：（a）在动态卡西米尔效应（DCE）中，真空场被时间调制介质散射，产生纠缠光子对，并形成向外传播的真实光子能流；（b）在热光子重排效应（TPR）中，热光子被时间调制介质散射，其总数保持守恒，但在能量与动量空间中发生重新分布，从而形成同时包含向内与向外传播分量的能流谱。