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光子准粒子：光与物质的相互作用

2020-10-14 14:14

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

原创长光所Light中心中国光学收录于话题#量子光学3个

撰稿 | Charlie（浙江大学博士生）

光与物质之间的相互作用在光谱学、传感、量子信息处理和激光等领域发挥着重要作用。在这些应用中，光通常被视为在真空中以光速传播的电磁平面波。因此，光与物质的相互作用通常可以被视为非常弱的，并且在量子电动力学计算中往往只保留到最低阶来处理。

然而，如果要理解光子与材料准粒子（表面等离激元、声子和激子）的耦合方面取得的进展，需要对光-物质相互作用的本质进行更深刻的认识。

在光子准粒子的应用中，光子可以被限制在几纳米的空间尺度内，光子的偏振和色散对光与物质相互作用的影响很大，这使得光子与束缚电子以及自由电子相互作用时产生了很多丰富的物理现象。

图源：Veer

近期，来自美国麻省理工学院(MIT)的Nicholas Rivera和以色列理工学院(Technion)的Ido Kaminer教授在Nature Reviews Physics中联合发表综述文章Light–matter interactions with photonic quasiparticles。

该文章聚焦总结了近年来光与物质基于光子准粒子进行相互作用的重要进展，用统一的理论将电子与微腔（或光子晶体）中的光子、等离激元、声子和激子等之间看似不同的相互作用囊括在一个框架中。

这篇综述从一个全新的视角看待光与物质相互作用中的束缚电子和自由电子，详细介绍了如何通过宏观量子电动力学理论框架去统一描述这些看似不同的电子系统中的光子准粒子现象。

此外，本文还介绍了实现新颖的光与物质作用--光子准粒子相互作用的理论和实验进展。例如，室温强耦合，原子中的超快“禁止”跃迁和切伦科夫效应的新应用，以及超快电子显微镜的突破和紧凑型X射线源的新概念等。

图1 宏观量子电动力学中包含的物理过程图示

图源：Nature Reviews Physics 2,538–561(2020) (Fig.1)

如图1所示，光与物质的相互作用是很多物理效应的核心，在现代科学技术中起着至关重要的作用。光的发射和吸收——原子、分子和固体中的电子以及自由电子——构成了许多成熟和新生技术的基础。例如现代光谱学、激光、X射线源、发光二极管、光电二极管、太阳能电池，高能粒子探测器和先进的显微镜方法。光与物质的相互作用根本上是量子电动力学描述的，在许多情况下，这种相互作用被描述为电子的量子跃迁，并伴随着真空中电磁场的量子发射、吸收或散射（光子）。

描述光子与电子相互作用的理论几乎和量子力学本身一样古老，1927年由保罗·狄拉克（PaulDirac）首次提出，1932年恩里科·费米（EnricoFermi）提出了一个优雅的重整(re-formulate)公式（至今仍在使用）。但是传统上，对于绝大多数经典尺度上的应用，在经典电磁学理论框架中将光子描述为以光速传播，波长远比原子、分子和固体中电子波函数的典型尺寸尺度长得多的平面波是合理且准确的。

但是，近年来，随着现代物理学的发展，这种传统理解受到了来自实验的挑战。新的实验使用近场显微镜将光子与范德瓦尔斯材料中的偏振子耦合，或者将光限制在不同金属之间的纳米间隙，这些实验产生了很多用传统电磁理论难以解释的现象。特别地，现在的技术手段可以将光耦合到非常小的空间区域，比如等离子(plasmonic)、声子(phononic)、激子(excitonic)甚至磁振子(magnonic)等极化激元，这些准粒子可以用许多与光子相同的方式进行操纵，因此也被称为光子准粒子。

作为光场的一部分，光子准粒子作为介质中麦克斯韦方程的量子化时谐解，是一个广义的概念，它不仅包括极化激元，而且还包括还有真空和均匀介质中的光子，空腔和光子晶体中的光子，甚至包括看起来基本上是非光子的激发，比如体等离子体和体声子。

这些准粒子通常在偏振、约束和色散等几个关键方面与真空中的光子不同。在研究这些激发是如何被电子（即光与物质相互作用）吸收和发射的时候，人们发现光子与光子准粒子的这些差异使得以前许多在自由空间中是很难甚至不可能实现的现象得以实现。例如，特定的光子准粒子可以将光子的尺寸压缩到真空中光子波长的千分之一，体积压缩到百万分之一；如石墨烯和六角氮化硼等二维材料中的极化激元可以同时实现很高的空间约束和很低的光学损耗。

表1展示了在不同的电磁环境（电子体系）中描述光与物质相互作用所需要用到的不同的矢量势的表达形式。

事实上，我们可以将这些纷繁复杂的电子体系分成两类：

一类是束缚电子体系，诸如固体原子，量子阱等势阱中的电子体系；

另一类是自由电子，即电子在真空环境中做自由运动时的情形。

下面我们就这两种电子体系分别讨论，并且最终利用宏观量子电动力学将这两个看似不同的体系中的光与物质相互作用用一个框架统一起来。

表1 不同类型介质中矢量势的表达形式

图源：Nature Reviews Physics 2,538–561(2020) (Table 1)

光与束缚电子的相互作用

在束缚电子系统中，光子准粒子的束缚增强了电子与量子化电磁场之间的本征耦合。这是因为光子准粒子ℏω（其中ω是频率）的能量被限制在非常小的体积内，从而产生强大的量子化电场和磁场。这种增强的耦合可以增强电子的自发辐射效率。对于高度约束的光子准粒子，增强的耦合强度足以使电子和电磁场之间发生相干和可逆的能量交换。约束产生的另一个重要影响是它有可能打破控制发生电子跃迁类型的传统选择规则。总的来说，这些效应可能催生出亮度更强的单光子源、更高灵敏度的传感和光谱平台，甚至可能产生新的纠缠准粒子源。

光与自由电子的相互作用

在自由电子系统中，自发辐射光子准粒子的光谱和方向特性对光子准粒子的色散关系非常敏感。利用结构介质控制色散关系-如光子晶体、光学纳米结构或高度约束的极化激元-使得我们可以调控电子能量的光辐射特性。自由电子的非局域量子波特性为通过塑造电子波函数来控制光与物质的相互作用提供了更多的机会。例如，我们可以调控波函数来发现与光子对称性兼容（或不兼容）的对称性准粒子，从而利用选择规则来控制可能的相互作用。当受激电子与受激光场相互作用时，就会产生强光子吸收效应。总而言之，这些效应将会催生出新的高灵敏度粒子探测方案、从红外到均匀X射线频率的紧凑型光源，以及具有纳米和飞秒分辨率的电子显微镜的新平台。

光子准粒子

光子准粒子是电磁模式的量子化激发，也称为“介质中的光子”。该模式形式上是任意介质中频率ω的Maxwell方程在边界条件下的时谐解。与此量子化激发对应的电磁模式被归一化，使得单个准粒子状态下的能量为ℏω，其极化和场分布完全由介质的电磁响应函数决定：介电常数ε和磁导率μ。在图2中展示了一些微观起源的类型，它们可以对响应函数做出贡献，比如自由电子（在金属中）、束缚电子（在简单绝缘体中，如玻璃）、光学声子（在极性电介质中）、磁振子（在铁磁体和反铁磁体中）和激子（在半导体中）。这些微观条件决定了材料宏观响应函数的频率依赖性。通常，光子准粒子会影响介电函数，但有些准粒子，如激子，由介电函数所决定。例如，激子特性取决于低频介电函数的屏蔽效应。不同的材料，以及材料的不同几何形状，将会产生不同种类的光子准粒子，如图2所示。

图2 光子准粒子的微观来源

图源：Nature Reviews Physics 2,538–561(2020) (Fig.2)

宏观量子电动力学

宏观量子电动力学描述了任意介质中光子准粒子的量子化，同时可以基于基本发射和吸收过程描述任意光子准粒子与任意类型量子物质的相互作用。

尽管束缚电子和自由电子体系起初看起来是不相关的，而且它们联系着不同的研究领域，我们仍然能够用一个统一的理论框架去描述它们。统一理论的关键在于要对任意电子体系和任意光子体系之间的相互作用进行系统的分类。分类结果如图1所示，作者根据费曼图将电子与光子准粒子之间不同的基本相互作用过程进行了分类。这个示意图（图1）其实是宏观量子电动力学的自然结果，因为宏观量子电动力学描述了电子与材料中电磁场的相互作用的微观本质。宏观量子电动力学的一大贡献在于我们可以在介质中求解宏观麦克斯韦方程就可以很自然地得到与光子准粒子相关联的量子化的电磁场。

在一个特定的费曼图中改变电子的类型或者光子准粒子的类型会产生完全不同的现象，即完全不同的物理效应。例如，原子和分子的自发辐射通常很难与自由电子的切伦科夫辐射想类比，但其实它们都是单光子准粒子的自发辐射过程；切伦科夫效应可以与电子在固体中的声子放大效应相类比，因为它们都是遵从类似的能量-动量守恒定律的结果；光子诱导近场电子显微成像(Photon-InducedNear-field Electron Microscopy, PINEM)可以与腔量子电动力学(QED)中的Rabi振荡相类似;束缚电子非线性高阶谐振可以与自由电子的非线性康普顿/汤姆逊散射相类比。这种思考的方式可以使得不同光与物质相互作用中的知识和理论相互迁移。最终，这种视角可以促使我们预测和研究新的相互作用类型。

纳米光子学中光与物质相互作用是一个范围很广，并且涉及到非常多重要课题的领域：范德瓦尔斯材料中的极化激元，等离激元纳米间隙，量子等离子体，增强自发辐射，强耦合物理，电子束光谱学和宏观量子电动力学。这些方向和领域之前已经有很多优秀的综述进行了总结，而本篇综述旨在通过总结纳米光子学中光与物质相互作用中理论与实验的重大进展，统一这些不同的物理现象，从而对上面所描绘的物理图景进行详细的阐述。

图3 电子-光子、电子-等离激元、电子-声子相互作用的相似点

图源：Nature Reviews Physics 2,538–561(2020) (Fig.6)

展望

在这篇综述中，作者总结了束缚电子和自由电子与光子准粒子（介质中的光子）相互作用的宏观量子电动力学。作者表明，通过使用光子准粒子概念来描述介质中的电磁场，我们可以通过利用光子的禁闭、对称性或色散来理解许多看似不同的准粒子现象。在这里光子准粒子可以通过宏观量子电动力学的严格解出，它允许任何介质中电磁场的量子化，包括非局域的电磁场。我们可以在真空，透明介质，腔光子，Bloch光子，范德华材料中的光子、极化子和甚至是体声子和等离子体子（描述非局域响应函数）中进行量子化。而宏观量子电动力学是光-物质相互作用中一个关键的统一工具。

从宏观量子电动力学基本原理的角度来看，许多光子准粒子与物质的相互作用的问题仍有待探索。在本文中作者重点介绍了一些最有挑战性的方向，比如，辐射源与连续介质系统超强耦合的本质，超强耦合是否可以用来设计新的光子准粒子束缚态的辐射源，如何利用强多光子效应进行设计光学非线性更强的材料。另一个有趣的方向是辐射源的能级会随着光子准粒子的吸收和再发射发生变化（即兰姆位移），辐射源是否可以利用超强耦合区的兰姆位移任意重新设计。这样的问题也引发了关于在宏观量子电动力学中光子准粒子重整化的讨论。另外的一个方向是探索怎样利用这些光子准粒子来制造新型X射线光源。

作者在此强调，目前这一领域仍处于初级发展阶段，还有许多理论需要探索，还有许多预测仍在等待被实验验证。超过一半的光子诱导近场电子显微镜(PINEM)方面的实验文章在最近5年才发表。展望未来，实验验证自发（Cherenkov型）和受激（PINEM型）自由电子与新型极化激元的相互作用将会是一个非常有前景的方向，这种探索将会有可能在纳米和飞秒分辨率上产生对高度束缚极化激元进行动力学成像的新方法。

关于光与物质强相互作用的的最新预测是二维材料与高度束缚的光子准粒子的相互作用，但是这一理论预测尚未得到充分实验验证。因此，未来最重要的目标之一是实验检验关于增强自发辐射，实现禁带跃迁，实现强而均匀光学频率下新材料平台中的超强耦合现象等令人兴奋的理论预测。而且，还必须将自发辐射增强也延伸到双光子过程。另一个未来令人期待的实验方向是在光子准粒子的束缚电子和自由电子的moiré系统中探索光与物质的相互作用。这样的实验将能够观察到扭曲的双层系统和光学腔，改变moiré系统的能谱，甚至可能影响电子输运和材料的其他宏观性质。

文章信息

Rivera, N., Kaminer, I. Light–matter interactions with photonic quasiparticles. Nat Rev Phys 2, 538–561 (2020).

论文地址

https://doi.org/10.1038/s42254-020-0224-2

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