世界上最轻的镜子：物理学家仅用几百个原子构成的光学镜

马克斯·普朗克量子光学研究所(MPQ)的物理学家们成功地制造出了仅由约200个原子的单分子层形成的光学镜子——它是世界上最轻的反射镜面。

研究人员展示了一种新型的光-物质界面，实现了最轻的反射镜。来源：马克斯·普朗克研究所

量子发射器阵列中的合作光学效应被理解为由发射器之间光子的相干散射引起的，或光学偶极子-偶极子之间的相互作用产生的。这种相互作用会导致适当结构化介质的光学响应发生剧烈变化，当整个原子集合被限制在比光波长小得多的空间区域中时，这种现象称为狄克（Dicke）超辐射或亚辐射。这种现象作为扩展的空间结构化媒介，可以出现不同的行为，例如，通过将几十个原子排列成一个阵列，可以获得一个几乎完全反射的光学反射镜。当阵列间距小于光波长时，可以获得具有高方向散射特性的近完全反射光学反射镜。

这里，MPQ研究人员报告了由干涉激光束形成的光学晶格中二维正方形原子阵列的协同亚辐射响应的直接观察。他们发现集体原子反应的光谱变窄远低于单个原子进入自由空间的量子有限衰变。通过空间分辨光谱测量，证明该阵列可以被当做成一个高效反射镜，由几百个原子组成的单个原子层。

研究人员可以通过调整阵列中的原子密度并更改粒子的有序性，能够控制阵列的协同响应，并阐明空间有序相互作用和偶极相互作用对整体性质的影响。阵列外部原子的Bloch振荡使研究人员能够动态控制原子镜的反射率。

通常，镜子利用高度抛光的金属表面或特殊涂层的光学镜片，以提供更轻质的性能。但MPQ的物理学家们现在首次证明，即使是由几百个原子组成的单一结构层也能形成一面光学镜子，使之成为人们所能想到的最轻的一面镜子。这种新镜子只有几十纳米薄，比人类头发丝的宽度还要薄1000倍。然而，它的反射是如此强烈，甚至可以被人类的眼睛观察到。

该研究结果是在原子有序亚波长量子光学这一最近才出现的新领域中首次进行的实验观察。到目前为止，这款镜子是独一无二的！研究结果发表在2020年7月15日的《自然》（Nature）杂志上。

镜子背后的机械装置

这种镜子用二维排列的相同原子来工作。它们以一种规则的模式排列，间距小于原子的光学跃迁波长——这是超材料的典型和必要的特征。超材料是人工设计的结构，具有非常特殊的性质，而这些性质在自然环境中很少被发现。它们的特性不是由它们所使用的材料获得的，而是由它们被设计的特定结构获得的。

这种新型光学镜的特性——规则图案和亚波长间距（subwavelength spacing）——以及它们之间的相互作用是其背后的两个关键原理。首先，规则的图案和原子的亚波长间距都抑制了光的漫射散射，将反射束成单向稳定的光束。其次，由于原子之间的距离相对较近且离散，入射光子在被反射之前可以在原子之间多次来回反弹。在这两种效应的结合下，光的被抑制散射和光子的反弹，导致了“对外部场的增强合作响应”，在这种情况下意味着——它可以产生非常强烈的反射。

打造更高效的量子器件

直径约7微米的镜子本身非常小，远远超出了视觉识别范围。然而，制造这种装置的装置是巨大的。与其他量子光学实验完全一样，它有超过一千个光学元件，重约两吨。这种新颖的材料也许不会影响人们日常使用的那些常规意义上的镜子，但它在另一方面的科学影响却可能是非常深远的。

“结果让我们非常兴奋。在典型的稀疏整体合奏中，在我们的系统中起重要作用的原子之间的光子介导的相关性在传统量子光学理论中通常被忽略。另一方面，将超低温原子加载到光学晶格中所形成的有序原子阵列，主要用于研究凝聚态模型的量子模拟。但现在它也变成了一个研究新的量子光学现象的强大平台。”该论文的第一作者、博士后研究员Jun Rui解释说。

沿着这条线索进行进一步的研究，可以加深对光与物质相互作用的量子理论的基本理解，利用光子的多体物理，并使更高效的量子器件的工程成为可能。

“许多新的令人兴奋的机会已经被打开，例如一个有趣的方法来研究量子光学力学，这是一个不断增长的领域，并有助于研究机械设备中光的量子性质。或者，我们的工作也可以帮助创造更好的量子记忆，甚至是建立一个量子可切换光学镜子。”博士研究员和论文第二作者David Wei表示。“这对量子信息处理来说无疑是非常有趣的进步。