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在具有开创性的新研究中,由明尼苏达州双子城大学领导的国际研究人员小组开发了一种独特的过程来产生既轻又物质的量子态。

这一发现为更有效地开发下一代基于量子的光学和电子设备提供了基础性的新见解。该研究还可能对提高纳米级化学反应的效率产生影响。

该研究发表在 自然光子学 由Springer Nature Publishing Group出版的具有高影响力,经过同行评审的科学期刊。

量子科学以最小的尺度研究光和物质的自然现象。在这项研究中,研究人员开发了一个独特的过程,他们实现了"ultrastrong coupling"通过将光捕获在金薄层中的微小环形孔中,从而在红外光(光子)和物质(原子振动)之间进行定位。

这些孔只有2纳米,比人的头发宽度小约25,000倍。

These 纳米腔 similar to a highly scaled-down version of the coaxial cables that are used to send electrical signals (like the cable that comes into your TV), were filled with silicon dioxide, which is essentially the same as window glass.

基于计算机芯片行业开发的技术,独特的制造方法可以同时生产数百万个此类腔,并且所有这些腔同时展现出这种超强的光子-振动耦合。

"其他人已经研究了光和物质的强耦合,但是通过这种设计纳米尺寸同轴电缆的新工艺,我们正在推动超强耦合的前沿,这意味着我们正在发现物质和光可能具有非常不同的新量子态。财产和不寻常的事情开始发生," 明尼苏达大学电气与计算机工程学教授,这项研究的资深作者Sang-Hyun Oh说。

"This 超强耦合 of light and atomic vibrations opens up all kinds of possibilities for developing new quantum-based devices or modifying chemical reactions."

光与物质之间的相互作用是地球生命的中心-它使植物将阳光转化为能量,并使我们能够看到周围的物体。红外光的波长比我们肉眼所见要长得多,它与材料中原子的振动相互作用。

例如,当物体加热时,构成该物体的原子开始更快地振动,发出更多的红外辐射,从而启用热成像或夜视摄像机。

相反,材料吸收的红外辐射的波长取决于构成材料的原子种类以及它们的排列方式,因此化学家可以将红外吸收用作"fingerprint"识别不同的化学物质。

通过提高红外光与材料中原子振动的相互作用程度,可以改善这些应用程序和其他应用程序。反过来,这可以通过将光捕获到包含材料的小体积中来实现。

诱捕光可以简单地使其在一对镜子之间来回反射,但是如果使用纳米级的金属结构或"nanocavities,"用于将光限制在超小长度刻度上。

发生这种情况时,相互作用可能足够强,以至于光和振动的量子力学性质开始起作用。

在这样的条件下,吸收的能量以足够快的速率在纳米腔中的光(光子)和材料中的原子振动(声子)之间来回传递,从而无法再区分光子和物质声子。

在这种情况下,这些强耦合模式会产生新的量子力学对象,它们同时是部分光和部分振动,称为"polaritons."

相互作用越强,可能发生的量子力学效应就越奇怪。如果相互作用变得足够强,则有可能在真空中产生光子,或者使化学反应以其他方式无法进行。

"令人着迷的是,在这种耦合方式下,真空不是空的。相反,它包含波长由分子振动确定的光子。而且,这些光子非常局限,并由少量分子共享," 阿拉贡纳米材料研究所的路易斯·马丁·莫雷诺教授说ón(INMA)在西班牙,该论文的另一位作者。

"通常,我们认为真空基本上是一无所有,但是事实证明,这种真空波动始终存在," 哦说 "这是真正利用所谓的零能量波动来做有用的事情的重要步骤。"

除了Oh和Martin-Moreno,研究团队还包括Daehan Yoo,In-Ho Lee和明尼苏达大学的Daniel A. Mohr。费尔南多·德·勒ón-Pé雷斯,萨拉戈萨国防大学和阿拉贡纳米材料研究所ón(INMA)在西班牙;马里兰州巴尔的摩县大学的Matthew Pelton; Markus B. Raschke,科罗拉多大学博尔德分校;和范德比尔特大学的Joshua D. Caldwell。

该研究主要由美国国家科学基金会和三星全球研究推广计划资助,并得到西班牙经济与竞争力部阿拉格的额外支持ó美国海军研究办公室政府项目,以及明尼苏达大学桑福德·波尔多电气工程系主任。

阅读完整的研究论文,标题为 "Ultrastrong plasmon-phonon coupling via epsilon-near-zero 纳米腔" 参观 自然光子学 网站。

资源: //twin-cities.umn.edu/

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