探索纳米级光物质耦合的极限

裂环谐振器的超表面，部分覆盖有显示模拟电场分布的3D颜色图。高动量磁等离子体导致极化子（蓝色球体，红色光子能量）分解。

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。然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。从基本的角度以及创建新功能的角度来看，这种状态都具有很高的兴趣，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，正如由量子电子研究所的 Giacomo Scalari 教授和 Jérôme Faist 教授领导的团队在今天发表在《自然光子学》上的一篇论文中所报告的那样。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。

在过去的四年中，已经开发了各种平台来实现光与物质之间的强耦合。其中，由 Scalari 在 Faist 小组中率先进行的一项实验脱颖而出，因为它自2011年以来几乎连续提供了在所有平台上实现的最强光物质耦合之一。重要的是，在创造新记录的过程中，他们达到了“超强”状态，其中光物质耦合与未耦合物质系统的相关能量相当，从而获得了大量新奇现象。

他们创纪录的平台的核心是所谓的金属裂环谐振器（见图），其中电磁场可以定位在极小的体积内，远低于光的波长——通常是太赫兹(THz)波段。这些谐振器的微米级间隙装有具有合适电子特性的半导体量子阱，用作物质系统。增加量子阱中的激发与限制在谐振器中的光之间的耦合的自然途径是减小间隙的宽度（图中的d）。但是，以这种方式设计的耦合有多强仍然是一个悬而未决的问题。

由于他们的资深科学家Mattias Beck培育的量子阱以及南安普顿大学（英国）的Simone De Liberato和Erika Cortese的理论研究，现在已经从理论上和实验上探索了是否存在此类系统中亚波长限制的基本物理限制。该团队发现确实存在：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。

包含间隙为 d = 250 nm 的裂环谐振器的晶胞的扫描电子显微镜 (SEM) 图像。

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了解。 这个空白现在由 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，还适用于其他纳米雷竞技下载找ray666点vip系统，例如基于石墨烯或过渡金属二硫属化物 (TMD) 的系统，以及除裂环以外的谐振器几何结构 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。

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局限性，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，在所考虑的最小长度尺度上——他们检查了间隙低至 250 纳米宽的设备——出现了非局部效应。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与量子阱的束缚电子态耦合，而且与量子阱的连续谱耦合。源自量子阱中已知二维等离子体色散的高动量激发。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。

Rajabali 及其同事表明，这种向极化非局域性控制的状态的转变产生了通常用于模拟光与物质之间相互作用的经典和线性量子理论无法再现的现象。换句话说，我们可以放心，在光与物质相互作用的迷人领域中，还有很多东西有待探索。