探索在纳米尺度上光-物质耦合的定量极限

裂环谐振器的超表面

裂环谐振器的超表面,部分覆盖显示模拟电场分布的3D彩图。高动量磁等离子体导致极化子(蓝色球体与红色光子能量)的破坏。Credit: Urban Senica, ETH Zurich

结合理论和实验工作,为纳米光子器件中的光物质耦合提供了一般的定量限制。

光和物质之间的相互作用包含了一系列令人惊叹的现象,从光合作用到彩虹和蝴蝶翅膀的迷人色彩。尽管这些表现可能不同,但它们涉及到非常微弱的光与物质耦合——本质上,光与物质系统相互作用,但不会改变其基本属性。然而,对于那些人为设计以最大限度地提高光与物质耦合的系统,出现了一套截然不同的现象。然后,有趣的量子态就会出现,它们既不是光也不是物质,而是两者的混合。从基本的观点来看,这些状态是非常有趣的,同时也有助于创造新的功能,例如使光子之间能够相互作用。到目前为止,最强的耦合已经实现了半导体材料限制在微小的光子腔。在这些器件中,耦合通常是通过使腔变得更小来增加的。但是,即使相关的制造挑战可以解决,这种方法也将遇到基本的物理限制,苏黎世联邦理工学院物理系的Giacomo Scalari教授和Jérôme Faist教授领导的团队在2021年8月9日发表的一篇论文中指出自然光子学.通过这项工作,他们对纳米光子器件的小型化设定了定量限制。

越来越强……

在过去的四十年里,人们开发了各种平台来实现光与物质之间的强耦合。其中,由斯卡拉里在法斯特小组的实验先驱之一脱颖而出,因为自2011年以来,它几乎连续提供了在所有平台上实现的最强的光-物质耦合之一。重要的是,在创造新纪录的过程中,他们达到了“超强”的状态,在这个状态下,光与物质的耦合可以与非耦合物质系统的相关能量相媲美,这为我们提供了大量的新现象。

在其创纪录平台的核心是所谓的金属裂环谐振器(见图),其中电磁场可以定位在极小的体积内,远低于光的波长——通常是太赫兹(THz)辐射。这些谐振器的微米大小的间隙被装入具有适当电子性质的半导体量子阱,作为物质系统。增加量子阱中的激发态与局限在谐振腔中的光之间耦合的一个自然途径是减小间隙的宽度(d图中)。但是,以这种方式设计的耦合强度到底有多强仍然是一个悬而未决的问题。

但要有限度

Shima Rajabali是Scalari和Faist小组的博士生,多亏了他们的资深科学家Mattias Beck培养的量子阱,以及英国南安普顿大学的Simone De Liberato和Erika Cortese的理论研究,现在从理论上和实验上探讨了亚波长限制在这类系统中是否存在基本的物理极限。研究小组发现确实存在:如果电磁场集中在越来越小的体积中,那么在某个点上,光物质混合态的本质(在他们的情况下,这些被称为极化子)开始改变。这种极化特性的根本变化反过来又阻止了耦合强度的进一步增加。

这种限制并不是什么遥远的场景。在最先进的纳米光子器件中,这种范式变化的特征已经出现。只是对潜在的原因还没有明确的认识。这个缺口现在由拉贾巴利填补.此外,他们新开发的框架可能不仅适用于他们研究的特定设备,也适用于其他纳米光学系统,例如基于石墨烯或过渡金属二卤族(tmd),以及除裂环谐振器以外的谐振器几何形状。因此,这项新研究应该为光-物质耦合提供一般的定量限制。

将非本地

为了探索通过减少光被限制的亚波长体积来增加光-物质耦合的局限性,该团队开发了一个理论框架,他们在实验和计算机模拟中测试了该框架的预测。一个关键的发现是,在考虑到的最小长度尺度上——他们检测了间隙至250纳米宽的设备——非局域效应出现了。这是由于在临界长度尺度下,当载流子的平面内动量较大时,谐振腔中受到严格限制的光场不仅耦合了量子阱中束缚的电子态,而是由量子阱中已知的二维等离子体色散产生的高动量激励的连续体。这打开了新的损失通道,最终从根本上改变了这些纳米光子器件中光和物质的相互作用。

Rajabali和他的同事们指出,这种转变到由极性非局部性支配的状态所引起的现象,是经典和线性量子理论无法再现的,而这些理论通常被用来模拟光和物质之间的相互作用。换句话说:我们可以放心,在光与物质相互作用的迷人舞台上,还有许多有待探索的地方。

参考文献:《光物质相互作用中的极化非局域性》,作者:Shima Rajabali, Erika Cortese, Mattias Beck, Simone De Liberato, Jérôme Faist和Giacomo Scalari, 2021年8月9日,自然光子学
DOI: 10.1038 / s41566 - 021 - 00854 - 3

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