探索纳米级灯具耦合的定量限制

拆分环谐振器的METASURFACE

分流环谐振器的元表面,部分覆盖3D ColorMaps,显示了模拟电场分布。高动量磁性磁体导致极化子的分解(蓝色球体红色的红色)。信誉:城市森卡,苏黎世

结合的理论和实验工作为纳米光电装置中的浅型耦合提供了一般的定量限制。

光和物质之间的相互作用包括来自光合作用的令人惊叹的现象光合,到彩虹和蝴蝶翅膀的迷人色彩。随着这些表现形式的多样化,它们涉及非常弱的浅薄物耦合 - 实质上,光与材料系统相互作用,但不会改变其基本性质。然而,对于人工设计以最大化浅灰质耦合的系统,出现了一种独特的不同现象。然后可以出现迷恋量子态,这既不是光也不重要,而是两者的混合动力。这些状态从基本的角度来看高兴,并且制造新功能,例如用于在光子之间进行相互作用。已经实现了迄今为止的最强的耦合,并且半导体材料被限制在微小的光子腔中。在这些装置中,通过使腔体更小,通常增加耦合。但即使可以解决相关的制造挑战,即使可以解决相关的制造挑战,即将遇到基本的物理限制,作为由教授GiacoMo Scalari和Jérôme的团队在2021年8月9日发布的一篇文章中举行的物理学,在自然光子学.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.在图中)。但是,可以以这种方式设计耦合的强度仍然是一个打开的问题。

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。

这种限制不是一些偏远的情景。在最先进的纳米光电装置中,已经遇到了这种范式变革的签名。只是对潜在原因没有坚定了解。这个差距现在填补了拉贾巴利.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.或过渡金属二甲硅藻(TMDS),以及除了分裂环谐振器之外的谐振器几何形状。因此,新的工作应该为浅品耦合提供一般的定量限制。

走向非本地

为了探讨通过减少光所限制的亚波长容积来增加灯具耦合的局限性,该团队开发了一种理论框架,其预测它们在实验和计算机模拟中测试的预测。一个关键发现是,在考虑的最小长度尺度上 - 它们检查了差距到250纳米的宽度 - 非局部效应的设备。这些是由于以下临界长度尺度的情况,作为提供载流子的大面内动力,谐振器中的紧密狭窄的光场不仅符合量子的束缚电子状态,而且耦合到连续的源自量子阱中已知的二维等离子体分散体的高动量激励。这开辟了新的损失渠道,最终以基本的方式改变了光线和物质在这些纳米光电装置中的相互作用。

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:“偏光性非界面浅点互动”由Shima Rajabali,Erika Cortese,Mattias Beck,Simone De Liberato,JérômeFaist和Giacomo Scalari,8月2021日,自然光子学
DOI: 10.1038 / s41566 - 021 - 00854 - 3

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