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探索极限!科学家发现纳米级光-物质耦合的定量限制

前瞻网    2021-08-15 19:26

 

探索极限!科学家发现纳米级光-物质耦合的定量限制

图源:Urban Senica,苏黎世联邦理工学院

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,但它们涉及非常弱的光-物质耦合——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——产生并并非光也并非物体的,两者混合的量子态。

从基本的角度以及创建新功能的角度来看,这种状态都具有很大的潜力,例如用于实现光子之间的相互作用。迄今为止最强的耦合是通过限制在微小光子腔中的半导体材料实现的。在这些装置中,通常通过使腔体变得更小来增加耦合。但是,即使可以解决相关的制造挑战,该方法也即将遇到基本的物理限制,正如由苏黎世联邦理工学院物理系的 Giacomo Scalari 教授和 Jérôme Faist 教授领导的团队在今天发表的一篇论文中报告的那样自然光子学。通过这项工作,他们为这种纳米光子器件的小型化设定了数量限制。

该团队发现,如果电磁场集中在越来越小的体积中,那么在某个时刻,光-物质混合态(在他们的情况下称为极化子)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。

这种限制并不是遥不可及的场景。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了解。这一空白现在由 Rajabali等人填补。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,以及除分裂以外的谐振器几何结构。环形谐振器。因此,新工作应该为光-物质耦合提供一般的定量限制。

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