光与物质耦合的新极限

撰稿 | Blair（西湖大学，博士生）

光与物质之间的相互作用涵盖了一系列令人惊叹的现象，从光合作用到彩虹和蝴蝶翅膀的迷人色彩。尽管这些表现形式多种多样，但它们涉及的光与物质耦合强度非常弱。本质上，光与物质系统相互作用，但不会改变其基本属性。

然而，对于经过人工设计以最大化光物质耦合的系统，会出现一组截然不同的现象。增强光与物质相互作用的强度后，会出现有趣的量子态，它们既不是光也不是物质，而是两者的混合体。无论是从基础物理研究还是从器件应用的角度看，这种状态都具有很高的意义，例如用于实现光子之间的相互作用。

增强光与物质之间的耦合强度，不仅有望大大提升光学传感的灵敏度和准确性，极大的减小光探测器、光传感器、光子芯片等光学器件的尺寸，提升光学元件的可集成性和便携性，同时有望发现诸如强光学非线性效应等新颖的物理现象。因此，长久以来，增强光与物质之间相互作用的强度一直是现代光学研究的核心问题。

随着近年来材料微纳加工工艺的进步和新型电磁材料（如二维材料、超材料、超表面、光子晶体等）的出现，现代光学可以通过新型光学材料和结构，将光束缚在亚波长尺度，极大地增强光与物质相互作用的耦合强度。然而，光与物质相互作用的强度究竟有无物理学意义上的极限，迄今尚没有统一的定论和答案，这也成为学术界一直以来悬而未决的重大问题之一。

鉴于此，来自瑞士苏黎世联邦理工大学与英国南安普顿大学的研究人员合作，以“Polaritonic nonlocality in light–matter interaction”为题在 Nature Photonics发表文章，报道了他们在开口环型谐振极化激元系统中所发现的光与物质耦合新极限。

图1：用三维颜色图表示的开口环型谐振器超表面的仿真电场分布图。图中高动量的磁性等离激元（蓝色球体）导致了极化激元的崩溃（红色的光子）

该团队证明：如果电磁场集中在越来越小的体积中，那么在某个时刻，光与物质混合态（极化子）的本质开始发生变化。极化特征的这种根本变化反过来又阻止了耦合强度的进一步增加。

这种限制不是一些遥远的场景，在最先进的纳米光子器件中，已经遇到了这种范式变化的特征，只是对根本原因还没有确切的认识，这个空白现在由该成果填补。此外，他们新开发的框架可能不仅适用于他们研究的特定设备，还适用于其他纳米光学系统，例如基于石墨烯或过渡金属二硫属化物 (TMD) 的系统，以及除开口环型谐振器以外的几何结构谐振器。因此，新工作应该为光物质耦合提供一般定量的极限值。

为了通过减少光被限制在的亚波长体积来探索增加光物质耦合的束缚性，该团队开发了一个理论框架，他们通过实验和计算机模拟测试了其预测。

一个关键发现是：研究人员在他们实验室用的开口环型谐振器250nm的间隙中，探测到了强烈的非局域效应。

这是因为在临界长度尺度以下，由于提供了大的载流子面内动量，谐振器中紧密限制的光场，不仅限制了量子阱的电子态，而且限制了源自量子阱中已知二维等离子体色散的连续高动量激发。这开辟了新的损耗通道，最终从根本上改变了光和物质在这些纳米光子器件中的相互作用方式。 

古人云：“志之所趋，无远弗届。穷山距海，不能限也”。这不是人们首次探索光与物质相互作用的极限，最著名的是阿贝衍射极限（名词解释>）。纳米光子学是一个非常活跃和成功的研究领域，科学家们正在研究突破阿贝极限的不同方法。下一步，将是使用一些独创性并寻找新的方法来限制光，绕过阿贝极限和刚刚发现的极限。

论文信息：

Rajabali, S., Cortese, E., Beck, M. et al. Polaritonic nonlocality in light–matter interaction. Nat. Photon. 15, 690–695 (2021)

https://doi.org/10.1038/s41566-021-00854-3

监制 | 赵阳

编辑 | 赵唯

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