光與物質(zhì)之間的相互作用涵蓋了一系列令人驚嘆的現(xiàn)象，從光合作用到彩虹和蝴蝶翅膀的迷人色彩。盡管這些表現(xiàn)形式多種多樣，但它們涉及的光與物質(zhì)耦合強(qiáng)度非常弱。本質(zhì)上，光與物質(zhì)系統(tǒng)相互作用，但不會(huì)改變其基本屬性。

然而，對(duì)于經(jīng)過人工設(shè)計(jì)以最大化光物質(zhì)耦合的系統(tǒng)，會(huì)出現(xiàn)一組截然不同的現(xiàn)象。增強(qiáng)光與物質(zhì)相互作用的強(qiáng)度后，會(huì)出現(xiàn)有趣的量子態(tài)，它們既不是光也不是物質(zhì)，而是兩者的混合體。無論是從基礎(chǔ)物理研究還是從器件應(yīng)用的角度看，這種狀態(tài)都具有很高的意義，例如用于實(shí)現(xiàn)光子之間的相互作用。

增強(qiáng)光與物質(zhì)之間的耦合強(qiáng)度，不僅有望大大提升光學(xué)傳感的靈敏度和準(zhǔn)確性，極大的減小光探測(cè)器、光傳感器、光子芯片等光學(xué)器件的尺寸，提升光學(xué)元件的可集成性和便攜性，同時(shí)有望發(fā)現(xiàn)諸如強(qiáng)光學(xué)非線性效應(yīng)等新穎的物理現(xiàn)象。因此，長(zhǎng)久以來，增強(qiáng)光與物質(zhì)之間相互作用的強(qiáng)度一直是現(xiàn)代光學(xué)研究的核心問題。

隨著近年來材料微納加工工藝的進(jìn)步和新型電磁材料（如二維材料、超材料、超表面、光子晶體等）的出現(xiàn)，現(xiàn)代光學(xué)可以通過新型光學(xué)材料和結(jié)構(gòu)，將光束縛在亞波長(zhǎng)尺度，極大地增強(qiáng)光與物質(zhì)相互作用的耦合強(qiáng)度。然而，光與物質(zhì)相互作用的強(qiáng)度究竟有無物理學(xué)意義上的極限，迄今尚沒有統(tǒng)一的定論和答案，這也成為學(xué)術(shù)界一直以來懸而未決的重大問題之一。

鑒于此，來自瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)與英國南安普頓大學(xué)的研究人員合作，以“Polaritonic nonlocality in light–matter interaction”為題在 Nature Photonics發(fā)表文章，報(bào)道了他們?cè)陂_口環(huán)型諧振極化激元系統(tǒng)中所發(fā)現(xiàn)的光與物質(zhì)耦合新極限。

圖1：用三維顏色圖表示的開口環(huán)型諧振器超表面的仿真電場(chǎng)分布圖。圖中高動(dòng)量的磁性等離激元（藍(lán)色球體）導(dǎo)致了極化激元的崩潰（紅色的光子）

該團(tuán)隊(duì)證明：如果電磁場(chǎng)集中在越來越小的體積中，那么在某個(gè)時(shí)刻，光與物質(zhì)混合態(tài)（極化子）的本質(zhì)開始發(fā)生變化。極化特征的這種根本變化反過來又阻止了耦合強(qiáng)度的進(jìn)一步增加。

這種限制不是一些遙遠(yuǎn)的場(chǎng)景，在最先進(jìn)的納米光子器件中，已經(jīng)遇到了這種范式變化的特征，只是對(duì)根本原因還沒有確切的認(rèn)識(shí)，這個(gè)空白現(xiàn)在由該成果填補(bǔ)。此外，他們新開發(fā)的框架可能不僅適用于他們研究的特定設(shè)備，還適用于其他納米光學(xué)系統(tǒng)，例如基于石墨烯或過渡金屬二硫?qū)倩?(TMD) 的系統(tǒng)，以及除開口環(huán)型諧振器以外的幾何結(jié)構(gòu)諧振器。因此，新工作應(yīng)該為光物質(zhì)耦合提供一般定量的極限值。

為了通過減少光被限制在的亞波長(zhǎng)體積來探索增加光物質(zhì)耦合的束縛性，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一個(gè)理論框架，他們通過實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬測(cè)試了其預(yù)測(cè)。

一個(gè)關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)是：研究人員在他們實(shí)驗(yàn)室用的開口環(huán)型諧振器250nm的間隙中，探測(cè)到了強(qiáng)烈的非局域效應(yīng)。

這是因?yàn)樵谂R界長(zhǎng)度尺度以下，由于提供了大的載流子面內(nèi)動(dòng)量，諧振器中緊密限制的光場(chǎng)，不僅限制了量子阱的電子態(tài)，而且限制了源自量子阱中已知二維等離子體色散的連續(xù)高動(dòng)量激發(fā)。這開辟了新的損耗通道，最終從根本上改變了光和物質(zhì)在這些納米光子器件中的相互作用方式。

古人云：“志之所趨，無遠(yuǎn)弗屆。窮山距海，不能限也”。這不是人們首次探索光與物質(zhì)相互作用的極限，最著名的是阿貝衍射極限（名詞解釋>）。納米光子學(xué)是一個(gè)非常活躍和成功的研究領(lǐng)域，科學(xué)家們正在研究突破阿貝極限的不同方法。下一步，將是使用一些獨(dú)創(chuàng)性并尋找新的方法來限制光，繞過阿貝極限和剛剛發(fā)現(xiàn)的極限。

論文信息：

Rajabali, S., Cortese, E., Beck, M. et al. Polaritonic nonlocality in light–matter interaction. Nat. Photon. 15, 690–695 (2021)

https://doi.org/10.1038/s41566-021-00854-3