明尼苏达大学 填充有二氧化硅的薄金膜上的环形孔使得光和原子振动之间的超强耦合成为可能
这种结构为探测与量子真空涨落相互作用的分子和开发新型光电器件提供了机会
学分:明尼苏达大学Oh组 在一项开创性的新研究中，由明尼苏达大学双城分校领导的国际研究小组开发了一种独特的过程，用于产生一种部分是光、部分是物质的量子态
这一发现为更有效地开发下一代基于量子的光学和电子器件提供了新的基本见解
这项研究还可能对提高纳米化学反应的效率产生影响
这项研究发表在《自然光子学》上
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，研究人员开发了一种独特的方法，通过在一层薄薄的金层中的微小环形孔中捕获光，实现红外光(光子)和物质(原子振动)之间的“超强耦合”
这些洞只有两纳米那么小，或者说比人类头发的宽度小大约25000倍
这些纳米空腔，类似于用于发送电信号的同轴电缆的高度缩小版本(如进入电视的电缆)，填充有二氧化硅，这与窗玻璃基本相同
基于计算机芯片工业发展的技术，独特的制造方法使得同时生产数百万个这种空腔成为可能，所有这些空腔同时表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，但随着这种设计纳米尺寸同轴电缆的新方法，我们正在推进超强耦合的前沿，这意味着我们正在发现新的量子态，在那里物质和光可以有非常不同的性质，不寻常的事情开始发生，”明尼苏达大学电气和计算机工程教授、该研究的高级作者吴相铉说
“这种光和原子振动的超强耦合为开发新的基于量子的设备或改变化学反应开辟了各种可能性
" 光和物质之间的相互作用对地球上的生命至关重要——它让植物将阳光转化为能量，让我们能够看到周围的物体
红外光的波长比我们肉眼能看到的要长得多，它与材料中原子的振动相互作用
例如，当一个物体被加热时，组成该物体的原子开始更快地振动，发出更多的红外辐射，从而使热成像或夜视相机成为可能
相反，材料吸收的红外辐射波长取决于组成材料的原子种类以及它们的排列方式，因此化学家可以利用红外吸收作为识别不同化学物质的“指纹”
通过提高红外光与材料中原子振动的相互作用强度，可以改善这些和其他应用
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
捕捉光可以像让它在一对镜子之间来回反射一样简单，但是如果使用纳米尺度的金属结构或“纳米腔”将光限制在超小的长度尺度上，就可以实现更强的相互作用
当这种情况发生时，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发挥作用
在这样的条件下，吸收的能量以足够快的速度在纳米腔中的光(光子)和材料中的原子振动(声子)之间来回传递，使得光光子和物质声子不再能够被区分
在这样的条件下，这些强耦合模式产生了新的量子力学物体，它们同时是部分光和部分振动，被称为偏振子
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，就有可能从真空中产生光子，或者使化学反应以其他方式无法进行
“令人着迷的是，在这种耦合机制下，真空不是空的
相反，它包含波长由分子振动决定的光子
此外，这些光子受到极大的限制，由极少数分子共享，”该论文的另一位作者、INMA纳米科学与材料研究所的路易斯·马丁-莫雷诺教授说
“通常，我们认为真空基本上什么都不是，但事实证明这种真空波动总是存在的，”吴说
“这是真正利用这种所谓的零能量波动来做一些有用的事情的重要一步
"
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