歐洲以色列科學(xué)家團(tuán)隊(duì)在量子納米光子學(xué)領(lǐng)域取得突破

一支由歐洲及以色列物理專家聯(lián)合組建的科研團(tuán)隊(duì)，在量子納米光子學(xué)領(lǐng)域獲得重大突破。該團(tuán)隊(duì)成功引入新穎的極化子腔，重新界定了光子束縛的極限。相關(guān)研究論文于近日在知名學(xué)術(shù)期刊《自然·材料》發(fā)表，詳盡闡述了該項(xiàng)突破性的研究成果，展現(xiàn)出了一條非傳統(tǒng)途徑，成功超越現(xiàn)有的納米光子學(xué)限制。

學(xué)者們長(zhǎng)期致力于推動(dòng)光子體積的極度壓縮。光子的空間單位對(duì)應(yīng)其波長(zhǎng)。當(dāng)光粒子被迫進(jìn)入比自身波長(zhǎng)大得多的腔體內(nèi)，實(shí)際上會(huì)變得更為“聚焦”，進(jìn)而增加其與電子間互相作用，放大腔室內(nèi)的量子過程。然而，盡管科學(xué)家們?cè)趯?shí)現(xiàn)光子長(zhǎng)度深度壓縮方面取得了顯著成效，但諸如光子快速損耗等問題仍堪憂。由于納米腔體中光子的吸收迅速，此類損耗極大地制約了它們?cè)谀承┝孔討?yīng)用中的發(fā)揮。

針對(duì)上述問題，此團(tuán)隊(duì)發(fā)明了擁有前所未有亞波長(zhǎng)體積和壽命的納米腔，得以有效解決這一難題。這些納米腔擁有的面積低于100×100平方納米，厚度僅為3納米，且限制光子擴(kuò)散所需時(shí)間較長(zhǎng)。其精髓在于采用了雙曲聲子極化激元技術(shù)，一種專用于二維材料制造腔體的電磁驅(qū)動(dòng)方式。

傳統(tǒng)方法往往直接塑造六方氮化硼等材料，但本次研究顛覆性地采用了間接限制策略。研究者首先在金襯底上精密切割出納米腔，然后將二維材料六方氮化硼精準(zhǔn)放置于金襯板上。六方氮化硼有助于實(shí)現(xiàn)雙曲聲子極化激元的電磁驅(qū)動(dòng)過程。當(dāng)極化子從金襯底邊緣向上穿行時(shí)，會(huì)受到強(qiáng)烈反彈，從而受到限制。如此一來，既保護(hù)了六方氮化硼原質(zhì)，又能在腔室內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效、長(zhǎng)久的光子束縛。

本研究成果所帶來的顯著優(yōu)勢(shì)，無疑為量子光子學(xué)的創(chuàng)新應(yīng)用和拓展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，同時(shí)也打破了業(yè)已存在的光子束縛上限。接下來，研究人員擬借助這類空腔深入探索一些之前認(rèn)為難以實(shí)現(xiàn)的量子現(xiàn)象規(guī)律，以進(jìn)一步挖掘雙曲聲子極化激元行為中所蘊(yùn)含的復(fù)雜且異常的物理學(xué)原理。

盡管光頑皮不羈，卻能由科研團(tuán)隊(duì)精心制作密閉牢籠。盡管光子裝置尺寸受到無法逃避的衍射極限限制，然而隨著材料科學(xué)取得飛躍式進(jìn)展，創(chuàng)新型納米腔能夠?qū)⒐饩€束縛至超過衍射極限界限之內(nèi)，為光電子機(jī)件運(yùn)轉(zhuǎn)提供全新可能性——不僅可以操控單一光子，更有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)電子線路，大幅降低能耗。黃金薄膜因其卓越的鏡面光學(xué)性能，被選定作為納米腔體的基礎(chǔ)材料；六方氮化硼則作為新興熱門二維材料，將共同開啟半導(dǎo)體技術(shù)應(yīng)用的嶄新時(shí)代。