一个由欧洲和以色列物理学家组成的团队在量子纳米光子学领域取得重大突破。他们引入了一种新型的极化子腔，并重新定义了光子限制的极限。6日发表在《自然·材料》杂志上的论文详细介绍了这项开创性的工作，展示了一种限制光子的非常规方法，克服了纳米光子学的传统限制。
4个不同尺寸的多质腔体的3D图。图片来源：美国科学促进会Eurekalert网站
物理学家长期以来一直在寻找将光子压缩得越来越小的方法。光子的空间尺度是波长。当一个光子被强迫进入一个比波长小得多的腔体时，它实际上变得更加“集中”。这增强了光子与电子的相互作用，放大了腔内的量子过程。然而，尽管科学家在将光子体积限制在深亚波长范围方面取得了巨大成功，但耗散的影响仍然是一个主要障碍。纳米腔中的光子被吸收得非常快，这种耗散限制了纳米腔在一些量子应用中的适用性。
纳米空腔和近场尖端（横截面示意图），与空腔模式的模拟射线场分布叠加在一起。图片来源：美国科学促进会Eurekalert网站
研究团队此次创造了具有突破以往的亚波长体积和寿命的纳米腔，克服了上述限制。这些纳米腔的面积小于100×100平方纳米，厚度仅为3纳米，限制光的时间要长得多。其关键在于双曲声子极化激元的使用，这种独特的电磁激励发生在形成空腔的二维材料中。
与以前不同，此次研究利用了一种新的间接限制机制。研究人员在金衬底上钻了纳米腔。打孔后，他们将二维材料六方氮化硼转移到金衬底上方。六方氮化硼可帮助实现双曲声子极化激元的电磁激励过程。当极化子从金衬底边缘上方通过时，它们会受到强烈的反射，从而受到限制。因此，这种方法避免了对六方氮化硼的直接塑造，同时保持了其原始质量，从而在腔内实现高度受限和长寿命的光子。
这一成果为量子光子学的新应用和进步打开了大门，打破了此前认为的光子限制极限。下一步，研究人员打算利用这些空腔来观察之前被认为不可能的量子效应，进一步研究双曲声子极化激元行为的有趣而违反直觉的物理学原理。
总编辑圈点：
光是一种不羁的存在，科学家却力图为它打造囚笼。虽然光子器件的尺寸受限于不可避免的衍射极限，但材料学的突破性发展，使得新式纳米腔将光线限制在超出衍射极限的范围，成为未来光电操作的基石——不仅适用于操纵单个光子，还能帮助光学通路取代电子通路，从而减少功耗。黄金薄膜以其出色的镜面光学特性，被选为纳米腔的衬底材料；而六方氮化硼则是继石墨烯后又一流行二维材料。它们将联手开辟半导体应用的新维度，带给我们更多惊喜。
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