“光子束缚”新时代！革命性纳米腔体推动量子光子学进阶

 

一项新的研究揭示了量子纳米光子学中光子束缚（photon confinement）的创新方法，引入的纳米腔体可在保持亚波长体积的同时延长光子寿命，有望在量子应用领域取得新的进展

 

最近，量子纳米光子学领域实现了一次突破性进展：一个由欧洲和以色列的物理学家组成的团队开发了一种新型极化子腔，从而重新定义了光子束缚的边界。

 

这项工作在《自然·材料》杂志上发表，详细阐述了这一创新工作，展现了一种超越传统纳米光子学限制的非常规光子束缚方法。

 

 

 

长久以来，物理学家致力于寻求方法，以将光子限制在越来越小的空间内。

 

光子的自然尺度为其波长，而当光子被限制在远小于波长的空间内时，其集中度实际上会增强。

 

这种集中加强了光子与电子的相互作用，放大了腔内的量子效应。

 

尽管在将光束缚在亚波长尺寸的体积内取得了显著成果，但光的耗散效应（即光的吸收）一直是一个主要的挑战。

 

纳米腔中光子的吸收速度极快，远超过波长，这种耗散限制了它们在某些令人兴奋的量子应用中的有效性。

 

对于这一挑战，来自西班牙巴塞罗那ICFO的弗兰克·科彭斯（Frank Koppens）教授领导的研究团队开发了一种具有前所未有的亚波长体积和延长寿命的纳米腔。

 

4个不同大小的偏振腔的3D效果图

 

纳米空腔草图（横截面图）和近场尖端，与空腔模式的模拟射线状场分布叠加

 

纳米空腔及其内部场的艺术印象

 

这些纳米腔的尺寸小于100x100纳米平方，厚度仅为3纳米，但能够在更长时间内限制光。

 

关键在于双曲声子极化子（hyperbolic-phonon-polariton）的应用，这是在形成腔体的二维材料中发生的独特电磁激发。

 

与以往的声子极化子腔研究不同，此次研究采用了一种新颖的间接束缚机制：通过利用氦聚焦离子束显微术的极高精度（2-3纳米），在金基底上制造纳米孔，以此制造纳米腔。

 

制造孔洞后，将二维材料六方氮化硼（hBN）转移至其上。六方氮化硼支持双曲光子极化子，这种电磁激元类似于普通的光，但可以被限制在极小的空间内。

 

当极化子通过金属边缘时，它们会受到金属的强反射而被束缚。

 

因此，这种方法避免了直接加工氮化硼，同时保持了其原始品质，从而实现了腔内光子的高度集中和长寿命。

 

 

这一研究的成功出乎意料，源自于在另一个项目中使用近场光学显微镜扫描二维材料结构时的偶然发现。

 

近场显微镜能够激发并测量红外范围内极化子的光谱，研究人员注意到这些极化子在金属边缘的反射异常强烈——这一意外发现促成了更深入的研究。

 

研究团队在实验制作和测量腔体时遭遇了意外的惊喜。正如第一作者、来自巴伊兰大学物理系的哈南·赫齐格·谢因福克斯（Hanan Herzig Sheinfux）博士所言：“实验结果通常不如理论预测，但在本次研究中，实验结果出人意料地超越了乐观的理论预期。”

 

“这一偶然发现很可能会为新的量子应用开辟道路，突破我们认为可能的极限。”

 

纳米空腔的近场测量

 

纳米空腔的束缚质量

 

在量子光子学的进展中，采用双曲声子极化子技术将光束缚于深亚波长空腔内的方法，标志着该领域一次重大的飞跃。

 

这不仅重新界定了光束缚的边界，还拓展了纳米光子学与量子技术的应用领域；这一研究成果设置了光束缚技术的新标杆，为未来在该领域的研究与创新提供了坚实的基础。

 

 

这一新颖方法，还为实现更快速、更高效的电子与光子设备开辟了新途径。此项尖端研究不仅为探究强烈的光与物质相互作用和中红外非线性光学效应提供了广阔的可能性，而且也为开发更为强大的纳米级传感器奠定了基础。

 

谢因福克斯博士在与科彭斯教授合作期间完成了这项工作，并计划利用这些纳米腔研究之前认为不可能的量子效应，进一步探索双曲声子极化子行为的反直觉物理学。

 

参考链接：

[1]‍‍‍https://scitechdaily.com/quantum-photonics-leap-revolutionary-nanocavities-redefine-light-confinement/

[2]https://medriva.com/covid-19/redefining-light-confinement-a-novel-approach-using-hyperbolic-phonon-polaritons/

[3]https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/newsid=64586.php