光與物質(zhì)之間的相互作用涵蓋了一系列令人驚嘆的現(xiàn)象,從光合作用到彩虹和蝴蝶翅膀的迷人色彩。盡管這些表現(xiàn)形式多種多樣,但它們涉及的光與物質(zhì)耦合強(qiáng)度非常弱。本質(zhì)上,光與物質(zhì)系統(tǒng)相互作用,但不會(huì)改變其基本屬性。
然而,對(duì)于經(jīng)過人工設(shè)計(jì)以最大化光物質(zhì)耦合的系統(tǒng),會(huì)出現(xiàn)一組截然不同的現(xiàn)象。增強(qiáng)光與物質(zhì)相互作用的強(qiáng)度后,會(huì)出現(xiàn)有趣的量子態(tài),它們既不是光也不是物質(zhì),而是兩者的混合體。無論是從基礎(chǔ)物理研究還是從器件應(yīng)用的角度看,這種狀態(tài)都具有很高的意義,例如用于實(shí)現(xiàn)光子之間的相互作用。
增強(qiáng)光與物質(zhì)之間的耦合強(qiáng)度,不僅有望大大提升光學(xué)傳感的靈敏度和準(zhǔn)確性,極大的減小光探測(cè)器、光傳感器、光子芯片等光學(xué)器件的尺寸,提升光學(xué)元件的可集成性和便攜性,同時(shí)有望發(fā)現(xiàn)諸如強(qiáng)光學(xué)非線性效應(yīng)等新穎的物理現(xiàn)象。因此,長(zhǎng)久以來,增強(qiáng)光與物質(zhì)之間相互作用的強(qiáng)度一直是現(xiàn)代光學(xué)研究的核心問題。
隨著近年來材料微納加工工藝的進(jìn)步和新型電磁材料(如二維材料、超材料、超表面、光子晶體等)的出現(xiàn),現(xiàn)代光學(xué)可以通過新型光學(xué)材料和結(jié)構(gòu),將光束縛在亞波長(zhǎng)尺度,極大地增強(qiáng)光與物質(zhì)相互作用的耦合強(qiáng)度。然而,光與物質(zhì)相互作用的強(qiáng)度究竟有無物理學(xué)意義上的極限,迄今尚沒有統(tǒng)一的定論和答案,這也成為學(xué)術(shù)界一直以來懸而未決的重大問題之一。
鑒于此,來自瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)與英國(guó)南安普頓大學(xué)的研究人員合作,以“Polaritonic nonlocality in light–matter interaction”為題在 Nature Photonics發(fā)表文章,報(bào)道了他們?cè)陂_口環(huán)型諧振極化激元系統(tǒng)中所發(fā)現(xiàn)的光與物質(zhì)耦合新極限。
圖1:用三維顏色圖表示的開口環(huán)型諧振器超表面的仿真電場(chǎng)分布圖。圖中高動(dòng)量的磁性等離激元(藍(lán)色球體)導(dǎo)致了極化激元的崩潰(紅色的光子)
該團(tuán)隊(duì)證明:如果電磁場(chǎng)集中在越來越小的體積中,那么在某個(gè)時(shí)刻,光與物質(zhì)混合態(tài)(極化子)的本質(zhì)開始發(fā)生變化。極化特征的這種根本變化反過來又阻止了耦合強(qiáng)度的進(jìn)一步增加。
這種限制不是一些遙遠(yuǎn)的場(chǎng)景,在最先進(jìn)的納米光子器件中,已經(jīng)遇到了這種范式變化的特征,只是對(duì)根本原因還沒有確切的認(rèn)識(shí),這個(gè)空白現(xiàn)在由該成果填補(bǔ)。此外,他們新開發(fā)的框架可能不僅適用于他們研究的特定設(shè)備,還適用于其他納米光學(xué)系統(tǒng),例如基于石墨烯或過渡金屬二硫?qū)倩?(TMD) 的系統(tǒng),以及除開口環(huán)型諧振器以外的幾何結(jié)構(gòu)諧振器。因此,新工作應(yīng)該為光物質(zhì)耦合提供一般定量的極限值。
為了通過減少光被限制在的亞波長(zhǎng)體積來探索增加光物質(zhì)耦合的束縛性,該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一個(gè)理論框架,他們通過實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬測(cè)試了其預(yù)測(cè)。
一個(gè)關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)是:研究人員在他們實(shí)驗(yàn)室用的開口環(huán)型諧振器250nm的間隙中,探測(cè)到了強(qiáng)烈的非局域效應(yīng)。
這是因?yàn)樵谂R界長(zhǎng)度尺度以下,由于提供了大的載流子面內(nèi)動(dòng)量,諧振器中緊密限制的光場(chǎng),不僅限制了量子阱的電子態(tài),而且限制了源自量子阱中已知二維等離子體色散的連續(xù)高動(dòng)量激發(fā)。這開辟了新的損耗通道,最終從根本上改變了光和物質(zhì)在這些納米光子器件中的相互作用方式。
古人云:“志之所趨,無遠(yuǎn)弗屆。窮山距海,不能限也”。這不是人們首次探索光與物質(zhì)相互作用的極限,最著名的是阿貝衍射極限(名詞解釋>)。納米光子學(xué)是一個(gè)非?;钴S和成功的研究領(lǐng)域,科學(xué)家們正在研究突破阿貝極限的不同方法。下一步,將是使用一些獨(dú)創(chuàng)性并尋找新的方法來限制光,繞過阿貝極限和剛剛發(fā)現(xiàn)的極限。
論文信息:
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
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