量子光子学的飞跃：革命性纳米腔体重新定义光约束

在量子纳米光子学的一次重大飞跃中，一个由欧洲和以色列物理学家组成的研究小组引入了一种新型偏振腔，并重新定义了光束缚的极限。今天（2 月 6 日）发表在《自然-材料》（Nature Materials）杂志上的一项研究详细介绍了这项开创性工作，它 展示了一种非传统的光子禁锢方法，克服了纳米光子学的传统限制。

长期以来，物理学家一直在寻找将光子强制放入越来越小的腔体中的方法。光子的自然长度尺度是波长，当光子被迫进入一个比波长小得多的空腔时，它实际上变得更加"集中"。

这种集中增强了与电子的相互作用，放大了腔体内的量子过程。然而，尽管在将光限制在深亚波长体积方面取得了巨大成功，但耗散（光吸收）效应仍然是一个主要障碍。

纳米腔体中的光子吸收非常快，比波长快得多，这种耗散限制了纳米腔体在一些最激动人心的量子应用中的适用性。

4 个不同大小的偏振腔的 3D 效果图。图片来源：Matteo Ceccanti

创新的纳米空腔设计

来自西班牙巴塞罗那 ICFO 的 Frank Koppens 教授的研究小组通过创建具有无与伦比的亚波长体积和延长寿命的纳米腔体，解决了这一难题。

这些纳米空腔的面积小于 100x100nm²，厚度仅为 3nm，却能将光限制在更长的时间内。关键在于双曲-声子-极化子的使用，这是形成空腔的二维材料中发生的独特电磁激发。

纳米空腔（横截面视图）和近场尖端的草图，与空腔模式的模拟射线状场分布叠加在一起。资料来源：Matteo Ceccanti

与以往基于声子极化子的空腔研究不同，这项研究利用了一种新的间接约束机制。利用氦聚焦离子束显微镜的极高精度（2-3 纳米），在金基底上钻出纳米级孔洞，从而制作出纳米空腔。

打孔后，在其上面转移二维材料六方氮化硼（hBN）。六方氮化硼支持被称为双曲光子极化子的电磁激元，这种激元与普通光类似，只是可以被限制在极小的体积内。

当极化子通过金属边缘上方时，它们会受到金属的强烈反射，从而被束缚住。因此，这种方法避免了直接塑造氢化硼，并保持了其原始质量，使空腔中的光子高度集中且寿命长。

纳米空腔及其内部磁场的艺术效果图。资料来源：Matteo Ceccanti

出人意料的实验成功

这一发现源于在另一个项目中使用近场光学显微镜扫描二维材料结构时的一次偶然观察。近场显微镜可以激发和测量光谱中红外范围的极化子，研究人员注意到这些极化子在金属边缘的反射异常强烈。这一意料之外的观察结果引发了更深入的研究，从而发现了独特的禁锢机制及其与纳米雷形成的关系。

然而，在制作和测量空腔后，研究小组却发现了一个巨大的惊喜。第一作者、巴伊兰大学物理系的 Hanan Herzig Sheinfux 博士说："实验测量结果通常比理论预测的要差，但在这种情况下，我们发现实验结果超过了乐观的简化理论预测。这一意想不到的成功为量子光子学的新颖应用和进步打开了大门，突破了我们认为可能的极限"。

Herzig Sheinfux博士在ICFO做博士后期间与Koppens教授一起进行了这项研究。他打算利用这些空腔来观察以前认为不可能实现的量子效应，并进一步研究双曲声子极化子行为这一引人入胜的反直觉物理学。

编译来源：ScitechDaily