探索光-物质耦合在纳米尺度上的极限

光和物质之间的相互作用包含了一系列惊人的现象，从光合作用到彩虹和蝴蝶翅膀的迷人色彩。尽管这些表现形式可能多种多样，但本质上它们涉及非常弱的光-物质耦合，光与物质系统相互作用，但不会改变其基本性质。然而，对于人工设计以最大化光-物质耦合的系统，出现了一组截然不同的现象。然后，可以出现既不是光也不是物质，而是两者混合的有趣量子态。从基本观点来看，这些状态以及用于创建新功能（例如用于实现光子之间的相互作用）的高度兴趣。迄今为止，最强烈的耦合是通过限制在微小光子腔中的半导体材料实现的。在这些装置中，通常通过使腔体更小来增加耦合。但即使相关的制造挑战可以解决，该方法也将面临基本的物理限制，量子电子学研究所的Giacomo Scalari和Jérôme Faist教授领导的团队在今天出版的《自然光子学》杂志上发表了一篇论文。通过这项工作，他们对这种纳米光子器件的小型化设置了定量限制。

从一个强度到另一个强度…

在过去四十年中，为了实现光与物质之间的强耦合，人们开发了各种平台。其中，由Faist集团的Scalari在实验上首创的一个非常突出，自2011年以来，它几乎连续提供了所有平台上实现的最强光物质耦合之一。重要的是，在创造新记录的过程中，他们达到了“超强”状态，在这种状态下，轻物质耦合与非耦合物质系统的相关能量相当，从而获得了丰富的新现象。

他们的记录设置平台的核心是所谓的金属裂环谐振器（见图），在该谐振器中，电磁场可以在极小的体积内局部化，远低于通常涉及太赫兹（THz）辐射的光的波长。这些谐振器的微米大小的间隙加载了具有合适电子特性的半导体量子阱，作为物质系统。增加量子阱中的激发和限制在谐振器中的光之间的耦合的自然途径是减小间隙的宽度（图中的d）。但以这种方式设计的耦合强度到底有多大仍然是一个悬而未决的问题。

…但在一定范围内

Shima Rajabali博士。Scalari和FaST小组的学生，感谢他们的资深科学家Mattias Beck的量子威尔斯和Simone De Liberato和Erika Cortese在南安普敦大学（英国）的理论研究，现在，我们已经从理论和实验上探索了在这种系统中是否存在亚波长限制的基本物理限制。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（在他们的例子中称为极化子）的本质开始改变。这种极性特征的根本变化反过来又阻止了耦合强度的进一步增加。

这种限制并不遥远。在最先进的纳米光子器件中，已经遇到了这种范式变化的特征。只是对潜在的原因还没有明确的认识。Rajabali等人现在填补了这一空白。此外，他们新开发的框架可能不仅适用于他们研究的特定器件，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卤化物（TMD）的纳米光学系统，以及除裂环谐振器之外的谐振器几何形状。因此，新的工作应该为光物质耦合提供一般的定量限制。

非本地

为了探索通过减少光被限制的亚波长体积来增加光-物质耦合的局限性，该团队开发了一个理论框架，他们通过实验和计算机模拟对其预测进行了测试。一个关键的发现是，在最小的长度尺度上，他们检查了间隙小于250纳米的设备，出现了非局部效应。这是因为在临界长度尺度以下，当为载流子提供大的面内动量时，谐振器中的紧密受限光场不仅耦合到量子阱的束缚电子态，但它是由量子阱中已知的二维等离子体子色散引起的高动量激发的连续体。这打开了新的损耗通道，最终从根本上改变了光和物质在这些纳米光子器件中的相互作用方式。

Rajabali和同事们表明，这种向由极化非定域性控制的区域的转变产生了通常用于模拟光与物质相互作用的经典和线性量子理论无法再现的现象。换句话说，我们可以放心，在光物质相互作用这一迷人的领域，还有许多有待探索的地方。