新型納米腔為量子光學新應用打開大門
科技日報北京2月6日電 （記者張佳欣）一個由歐洲和以色列物理學家組成的團隊在量子納米光子學領域取得重大突破。他們引入了一種新型的極化子腔，并重新定義了光子限制的極限。6日發表在《自然·材料》雜志上的論文詳細介紹了這項開創性的工作，展示了一種限制光子的非常規方法，克服了納米光子學的傳統限制。
物理學家長期以來一直在尋找將光子壓縮得越來越小的方法。光子的空間尺度是波長。當一個光子被強迫進入一個比波長小得多的腔體時，它實際上變得更加“集中”。這增強了光子與電子的相互作用，放大了腔內的量子過程。然而，盡管科學家在將光子體積限制在深亞波長范圍方面取得了巨大成功，但耗散的影響仍然是一個主要障礙。納米腔中的光子被吸收得非常快，這種耗散限制了納米腔在一些量子應用中的適用性。
研究團隊此次創造了具有突破以往的亞波長體積和壽命的納米腔，克服了上述限制。這些納米腔的面積小于100×100平方納米，厚度僅為3納米，限制光的時間要長得多。其關鍵在于雙曲聲子極化激元的使用，這種獨特的電磁激勵發生在形成空腔的二維材料中。
與以前不同，此次研究利用了一種新的間接限制機制。研究人員在金襯底上鉆了納米腔。打孔后，他們將二維材料六方氮化硼轉移到金襯底上方。六方氮化硼可幫助實現雙曲聲子極化激元的電磁激勵過程。當極化子從金襯底邊緣上方通過時，它們會受到強烈的反射，從而受到限制。因此，這種方法避免了對六方氮化硼的直接塑造，同時保持了其原始質量，從而在腔內實現高度受限和長壽命的光子。
這一成果為量子光學的新應用和進步打開了大門，打破了此前認為的光子限制極限。下一步，研究人員打算利用這些空腔來觀察之前被認為不可能的量子效應，進一步研究雙曲聲子極化激元行為的有趣而違反直覺的物理學原理。
光是一種不羈的存在，科學家卻力圖為它打造囚籠。雖然光子器件的尺寸受限于不可避免的衍射極限，但材料學的突破性發展，使得新式納米腔將光線限制在超出衍射極限的范圍，成為未來光電操作的基石——不僅適用于操縱單個光子，還能幫助光學通路取代電子通路，從而減少功耗。黃金薄膜以其出色的鏡面光學特性，被選為納米腔的襯底材料；而六方氮化硼則是繼石墨烯后又一流行二維材料。它們將聯手開辟半導體應用的新維度，帶給我們更多驚喜。
（原標題：新型納米腔重新定義光子極限 為量子光學新應用打開大門）
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