物理学家设计了一个由几百个原子组成的光学反射镜

研究人员展示了一种新的光-物质界面，实现了由200个原子组成的单层膜所形成的最轻的反射镜。

马克斯·普朗克量子光学研究所(MPQ)的物理学家们设计了最轻的光学反射镜。新的超材料是由一个结构单一的层，只有几百个相同的原子组成。原子排列在干涉激光束形成的光学晶格的二维阵列中。这些研究结果是在最近才出现的亚波长有序原子量子光学新领域中首次进行此类实验观测的结果。到目前为止，这面镜子是唯一这样的一面。研究结果今日发表在自然。

通常，反射镜使用高度抛光的金属表面或特殊涂层光学玻璃，以提高性能在较小的重量。但是MPQ的物理学家们现在第一次证明，即使是一个由几百个原子组成的结构层也可以形成一个光学层，使它成为人们认知中可能中最轻的一种。新的镜子只有几十纳米厚，比人类头发的宽度薄一千倍。然而，这种反射是如此强烈，甚至可以用纯粹的人眼来感知。

镜子后面的机械装置

镜子与排列在二维阵列中的相同原子一起工作。它们以规则的模式排列，间距低于原子的光跃迁波长，这是超材料的典型和必要的特性。超材料是人工设计的结构，具有非常特殊的性质，很少被自然发现。他们获得他们的特性不是从他们的材料，而是从他们设计的特定结构。这种新型光学反射镜的特性--规则图案和亚波长间隔--及其相互作用是这种新型光学镜的两个关键工作。首先，原子的规则模式和亚波长间隔都抑制了光的漫射散射，将反射捆绑成一束单向稳定的光束。第二，由于原子之间的距离相对较近且离散，一个进入的光子在被反射之前可以在原子之间来回反弹不止一次。这两种效应，抑制了光的散射和光子的反弹，导致了“对外场的增强合作反应”，这意味着在这种情况下：非常强烈的反射。

这篇论文的第一作者瑞军和魏大伟，在他们复杂的实验装置面前，在他们的心脏里藏着一副最轻的镜子--一副由原子构成的镜子。

提高量子器件效率的研究进展

这面镜子直径约为7微米，非常小，远远超出了视觉识别的范围。然而，制造设备的装置是巨大的。与其他量子光学实验完全一样，它有一千多个单一光学元件，重约两吨。因此，新材料几乎不会影响人们日常使用的商品镜子。对另一方的科学影响可能是深远的。

“这些结果对我们来说是非常令人兴奋的，就像在典型的稀释体组中一样，在我们的系统中起着至关重要作用的原子间的光子相互作用，在传统的量子光学理论中通常被忽略了。另一方面，通过加载超小的原子来形成有序的原子阵列。”原子进入光学晶格主要是用来研究凝聚态模型的量子模拟。但现在它也成为了一个研究新的量子光学现象的强大平台，“博士后研究员、本论文的第一作者瑞军解释道。

沿着这个故事线进一步的研究可以加深对光-物质相互作用、多体物理与光学光子的量子理论的基本理解，并使更有效的量子器件的工程得以实现。

“许多新的令人兴奋的机会已经打开，比如一种有趣的研究量子光学力学的方法，这是用机械装置研究光的量子本质的一个日益增长的领域。或者，我们的工作还可以帮助创造更好的量子记忆，甚至可以建造一个可切换的量子镜，”博士研究员、第二作者大卫·韦(David Wei)补充道。“这两者都是量子信息处理的有趣进展。

More information: Jun Rui et al. A subradiant optical mirror formed by a single structured atomic layer, Nature (2020). DOI: 10.1038/s41586-020-2463-x

Journal information: Nature