通过接近零的纳米尺度超强等离子体-声子耦合

腔量子电动力学场(QED)一般将光物质相互作用分为两种状态:弱耦合，即损耗超过光物质耦合强度;强耦合，即耦合强度占优势。对于弱耦合现象，如珀塞尔效应、法诺干涉和表面增强红外吸收，耦合系统交换能量的时间尺度比衰减速率慢。相比之下，在强耦合的情况下，振荡子在比衰减率更长的时间框架内可逆地、相干地交换能量，这使得量子信息处理等应用得以实现。此外，强耦合导致杂化能态的形成，不同于那些裸组分，导致新的现象，如化学反应速率和基态反应活性的改变。

       当系统的归一化耦合强度η超过~0.1时，会出现更多的奇异现象，其中η定义为光-物质耦合强度g与中隙频率ω的比值。在这种超强耦合(USC)机制中，一些适用于弱耦合和强耦合的标准近似，如旋转波近似，预计将被打破。此外，从强耦合过渡到超强耦合意味着混合模式在衰变前在光和物质状态之间表现出更多的振荡，这种快速和有效的相互作用可以使新的超快器件成为可能。在USC体系中预测的另一个引人注目的现象，是由光-物质耦合方程中的反共振项引起的，是通过动态Casimir效应从修正基态中提取虚拟光子的可能性。最后，光和分子之间的USC有可能改变或增强化学反应，超出强偶联区的可能范围。

       光致变色分子、电路QED系统、亚带间偏振光、分子液体和二维电子气体已经证明了超强耦合。中红外(MIR)频率与振动模式的强耦合已经在各种系统中得到验证，这使得诸如表面增强振动光谱、热发射和特征控制以及改进的热传递等应用成为可能。然而，在MIR频率下实现USC一直是一个挑战，尤其是在固态系统中，因为晶格离子运动产生的振动模式的振子强度相对较弱。以前的演示涉及扩展的微腔结构，在这些技术上重要的频率上开辟了一个新的物理机制，但新的非线性效应的可能性有限。

        近日，来自美国明尼苏达州明尼阿波利斯大学电气和计算机工程系的Daehan Yoo等人演示了纳米腔内的振动超强耦合，大大减少了系统的尺寸，从而减少了实现MIR超强耦合所涉及的材料量。具体来说，他们使用同轴纳米腔，它表现出很强的传输共振和场增强，接近TE11模式的截止频率；这些可以理解为是由零阶Fabry-Perot共振的激发引起的，或者是由有效的ENZ效应引起的。相关工作发表在《Nature photonics》上。（郑江坡）

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41566-020-00731-5