研究人员实现了室温下可控的超强光-物质相互作用

瑞典查尔姆斯理工大学与俄罗斯、波兰的科学家共同实现了室温下光与物质超强耦合作用。此项发现对基础研究意义重大，为未来光源、纳米机械、量子技术等技术的发展奠定了基础。

一组相互耦合的谐振子是物理学中最基础，却又最丰富的系统。谐振子是一个非常简单的模型，从吉他弦的震动、声学谐振器、秋千的摇摆，到分子和化学反应；从引力束缚系统到腔量子电动力学等，物理学中许多系统都可以使用谐振子来描述。

谐振子之间的耦合系数是一个非常重要的参数，决定了耦合系统的运动方式。然而，很少有人去探究谐振子之间的耦合上限，以及这种高度耦合带来的结果。

发表于Nature Communications上的最新研究成果，让我们得以窥见所谓的超强耦合领域——即耦合强度与振荡器的共振频率相当的区域。此项研究中的超强耦合通过微小系统中光和电子的相互作用实现，该系统由两个相隔很短距离的金镜面和等离子金纳米棒组成。在比人类头发末端小一百倍的表面上，研究人员已经证明在环境条件下（室温，大气压），可以在光和物质之间创造出可控的超强相互作用。

图1 超强耦合系统由两个相隔很短距离的金镜面和等离子金纳米棒组成。查尔姆斯理工大学Denis Baranov供图

“我们并非第一个实现超强耦合的团队，但是此前，实现这种量级超强耦合的必须在高强磁场、高度真空、以及极低的温度条件下。而我们的研究仅在普通实验室条件下就可实现超强耦合，不仅使更多研究者可以参与到此领域研究中来，也为纳米科学和量子光学之间的空白领域提供了宝贵的研究资料。” 查尔姆斯理工大学的研究者Denis Baranov说，他同时也是本文的第一作者。

为了更容易理解文中由两个相隔几百纳米、由两个金镜面组成的谐振系统，可以将系统看成音乐中一个音调。镜面之间的纳米棒影响光在镜面间传播的方式，改变了其谐振频率，从而将耦合系统的“音调”分裂成两个：一个较低的音，一个较高的音。高音与低音之间的能量差代表相互作用的强度。

在超强耦合的情况下，相互作用的强度极大，甚至可以与原始谐振子的频率相比。这导致了一种独特的混合现象——光和物质合为一体，形成被称为“极化激元（polariton）”的准粒子。极化激元兼具二者特性，表现出特殊的光学与电子特性。

镜面之间金纳米棒的数量控制着相互作用的强度，同时也控制着系统的能量“零点”。增加或减少纳米棒的数量可以相应提高或降低系统基态的能量，并由此控制系统中存储的能量。

使得这项研究尤为吸引人的是，通过“聆听”耦合系统的“音调”（即测量穿过纳米棒和镜面的透射光谱）并进行简单计算，研究人员成功地间接测量了纳米棒数量如何改变真空能量。结果表明，系统能量的改变与热能相近，这一结果可能会导致其他可观测效应。

“在室温下通过相对简单的系统，产生可控的超强耦合，可为基础物理研究提供新的实验思路。超强耦合消耗能量的事实，可能会导致其他可观测效应——例如其可能会改变化学物质的反应性，或者定制范德华相互作用。超强耦合可能会导致各类有趣物理现象。” 查尔姆斯理工大学的副教授、本文的末位作者Timur Shegai说。

换句话说，这一发现让研究人员可以玩弄自然法则，并测试耦合极限。

Timur Shegai说：“我们的研究非常基础，将来应用的潜力是巨大的。我们的系统可以实现更强级别的耦合，达到深度耦合区域。我们系统的耦合极限目前仍未可知，但可以确定的是，一定比我们现在所实现的要高得多。更为重要的是，这个系统使得在室温下研究超强耦合成为可能。”

文章"Ultrastrong coupling between nanoparticle plasmons and cavity photons at ambient conditions"发表于Nature Communications，作者包括Denis Baranov, Battulga Munkhbat, Elena Zhukova, Ankit Bisht, Adriana Canales, Benjamin Rousseaux, Göran Johansson, Tomasz Antosiewicz 以及Timur Shegai。作者就职于查尔姆斯理工大学微技术和纳米科学系、物理系，莫斯科物理技术学院，以及华沙大学物理系。