在量子奈米光子學的一次重大飛躍中，一個由歐洲和以色列物理學家組成的研究小組引入了一種新型偏振腔，並重新定義了光束縛的極限。今天（2 月6 日）發表在《自然-材料》（Nature Materials）雜誌上的一項研究詳細介紹了這項開創性工作，它展示了一種非傳統的光子禁錮方法，克服了奈米光子學的傳統限制。

長期以來，物理學家一直在尋找將光子強制放入越來越小的腔體中的方法。光子的自然長度尺度是波長，當光子被迫進入一個比波長小得多的空腔時，它實際上變得更加”集中”。

這種集中增強了與電子的相互作用，放大了腔體內的量子過程。然而，儘管在將光限制在深亞波長體積方面取得了巨大成功，但耗散（光吸收）效應仍然是一個主要障礙。

奈米腔體中的光子吸收非常快，比波長快得多，這種耗散限制了奈米腔體在一些最令人興奮的量子應用中的適用性。

4 個不同大小的偏振腔的3D 效果圖。圖片來源：Matteo Ceccanti

創新的奈米空腔設計

來自西班牙巴塞隆納ICFO 的Frank Koppens 教授的研究小組透過創建具有無與倫比的亞波長體積和延長壽命的奈米腔體，解決了這個難題。

這些奈米空腔的面積小於100x100nm²，厚度僅3nm，卻能將光限制在較長的時間內。關鍵在於雙曲-聲子-極化子的使用，這是形成空腔的二維材料中發生的獨特電磁激發。

奈米空腔（橫截面視圖）和近場尖端的草圖，與空腔模式的模擬射線狀場分佈疊加在一起。資料來源：Matteo Ceccanti

與以往基於聲子極化子的空腔研究不同，這項研究利用了一種新的間接約束機制。利用氦聚焦離子束顯微鏡的極高精度（2-3 奈米），在金基底上鑽出奈米級孔洞，從而製作出奈米空腔。

打孔後，在其上方轉移二維材料六方氮化硼（hBN）。六方氮化硼支持被稱為雙曲光子極化子的電磁激元，​​這種激元與普通光類似，只是可以被限制在極小的體積內。

當極化子通過金屬邊緣上方時，它們會受到金屬的強烈反射，從而被束縛住。因此，這種方法避免了直接塑造氫化硼，並保持了其原始質量，使空腔中的光子高度集中且壽命長。

奈米空腔及其內部磁場的藝術效果圖。資料來源：Matteo Ceccanti

出乎意料的實驗成功

這項發現源自於在另一個專案中使用近場光學顯微鏡掃描二維材料結構時的一次偶然觀察。近場顯微鏡可以激發和測量光譜中紅外線範圍的極化子，研究人員注意到這些極化子在金屬邊緣的反射異常強烈。這一意料之外的觀察結果引發了更深入的研究，從而發現了獨特的禁錮機制及其與奈米雷形成的關係。

然而，在製作和測量空腔後，研究團隊發現了一個巨大的驚喜。第一作者、巴伊蘭大學物理系的Hanan Herzig Sheinfux 博士說：”實驗測量結果通常比理論預測的要差，但在這種情況下，我們發現實驗結果超過了樂觀的簡化理論預測。這一意想不到的成功為量子光子學的新穎應用和進步打開了大門，突破了我們認為可能的極限”。

Herzig Sheinfux博士在ICFO做博士後期間與Koppens教授一起進行了這項研究。他打算利用這些空腔來觀察以前認為不可能實現的量子效應，並進一步研究雙曲聲子極化子行為這一引人入勝的反直覺物理學。

編譯來源：ScitechDaily