光与物质耦合影响量子光学

由University of Minnesota Twin Cities领导的一个国际研究小组创造了一种量子状态，它的一部分是光，一部分是物质。这项研究影响着下一代基于量子的光学和电子器件，也有助于提高纳米级化学反应的效率。研究人员通过将光困在一层薄薄的金箔中的环形小孔中，实现了红外光与物质之间的超强耦合。这些孔尺寸为2nm，比人的头发宽度小25000倍。

一种填充二氧化硅的薄金箔中的环形小孔可实现光和原子振动之间的超强耦合。这种结构为探测与量子真空波动相互作用的分子和开发新型光电子器件提供了机会。University of Minnesota Oh Group 供图。

研究人员说，纳米谐振腔可以被认为是缩小版的同轴电缆，它被二氧化硅填充，类似于用于普通窗户的玻璃混合物。利用基于计算机芯片行业通用的制造工艺，可以同时生产数百万个纳米谐振腔，所有这些腔都表现出超强的光子振动耦合。"

当前已经有人研究了光和物质的强烈耦合，但随着利用新工艺来设计纳米尺寸的同轴电缆，我们正在推进超强耦合的前沿工作。这意味着我们正在发现一种新的量子状态，其中物质和光可以具有非常不同的特性，从而产生不寻常的现象。"电子和计算机工程教授和该研究的高级作者San-Hyun Oh说，"这种光和原子振动的超强耦合为开发新的量子器件或改变化学反应开辟了各种可能性。红外光与材料中原子的振动相互作用。例如，当物体被加热时，组成物体的原子振动更快，从而产生更多的红外辐射，可实现热成像和夜视摄像机。材料吸收的红外辐射波长取决于构成材料的特定原子以及其排列方式，这使得化学家能够使用红外吸收来识别不同的化学物质。

增加红外光与材料中原子振动的相互作用可以提高这些应用。这可以通过将光束捕获到一个包含材料的小空间中来完成。捕获光可以很简单，就像让它在一对镜子之间来回反射一样，但是如果将纳米级金属结构（或"纳米腔"）用于将光束限制在超小长度尺寸上，则可以实现更强的相互作用。在这些条件下，相互作用可以足够强大，使光和振动的量子力学特性开始发挥作用。在这种情况下，吸收的能量在纳米腔中的光之间来回转移，材料中的原子振动速度足够快，光子和物质声子不能再区分。这些强耦合模式产生新的量子力学对象，这些部分是光，同时一部分是振动，称为极化子。相互作用越强，可能发生的量子力学效应就越新奇。如果相互作用变得足够强，就有可能从真空中产生光子，或者使化学反应以之前不可能的方式进行。

在目前的耦合机制中，真空不是空的状态，而是含有的光子，其波长由分子振动决定。西班牙纳米材料研究所Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón (INMA)教授Luis Martin Moreno说，光子在强耦合机制下是被限制的，被少数的分子"共享"。"通常我们认为真空基本上什么都不是，但事实证明，这种真空波动总是存在的，"Oh说。“这是一个非常重要的步骤，即通过控制这种所谓的零能量波动，从而做一些有用事情。”

这项研究成果发表在《Nature Photonics》上。(www.doi.org/10.1038/s41566-020-00731-5).