马克斯·普朗克量子光学研究所的凯瑟琳娜·贾拉 研究人员展示了一种新的光-物质界面，实现了由200个原子单层构成的最轻的镜子
荣誉:马克斯·普朗克量子光学研究所 马克斯·普朗克量子光学研究所(MPQ)的物理学家已经设计出可以想象的最轻的光学镜
这种新型超材料由一个单一的结构层组成，该结构层仅由数百个相同的原子组成
原子排列在由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具有有序原子的亚波长量子光学新领域的首次实验观察
到目前为止，镜子是唯一的同类
结果今天发表在《自然》杂志上
通常，镜子利用高度抛光的金属表面或特殊涂层的光学玻璃来提高较小重量的性能
但是MPQ大学的物理学家现在第一次证明，即使是由几百个原子组成的单一结构层也已经可以形成一面光学镜，使它成为可以想象的最轻的一面
这种新镜子只有几十纳米厚，比人类头发的宽度还要薄一千倍
然而，这种反射是如此强烈，甚至可以用纯人眼来感知
镜子后面的机制 镜子是用排列成二维阵列的相同原子来工作的
它们以规则的模式排列，间距低于原子的光学跃迁波长，这是超材料的典型和必要特征
超材料是人工设计的结构，具有很少天然存在的特殊性质
它们不是从材料中获得性能，而是从设计的特定结构中获得性能
这些特征——规则图案和亚波长间距——以及它们的相互作用是这种新型光学镜背后的两个关键工作原理
首先，原子的规则图案和亚波长间距都抑制了光的散射，将反射束聚集成单向稳定的光束
其次，由于原子之间的距离相对较近且不连续，入射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，抑制光的散射和光子的反弹，导致了“对外部场的增强的协同响应”，在这种情况下，这意味着:非常强的反射
该论文的两位第一作者，芮俊和魏大卫，在他们复杂的实验装置前，在它的中心放置了一面肉眼看不见的最轻的镜子——一面由原子构成的镜子
荣誉:马克斯·普朗克量子光学研究所 更高效量子器件的进展 镜子的直径约为7微米，它本身非常小，远非视觉所能识别
然而，制造该装置的设备是巨大的
与其他量子光学实验完全一样，它拥有超过1000个单个光学元件，重约两吨
因此，这种新颖的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
“结果对我们来说非常令人兴奋
在传统的量子光学理论中，与典型的稀体系综一样，在我们的系统中起着重要作用的原子之间的光子介导的关联通常被忽略
另一方面，通过将超冷原子加载到光学晶格中形成的有序原子阵列主要用于研究凝聚态模型的量子模拟
但现在它也成为研究新的量子光学现象的强大平台，”博士后研究员、该论文的第一作者君瑞解释道
沿着这个故事线索的进一步研究可以加深对光-物质相互作用的量子理论、光子的多体物理的基本理解，并使更有效的量子器件工程成为可能
“许多令人兴奋的新机会已经出现，例如研究量子光学力学的有趣方法，这是一个用机械装置研究光的量子性质的日益增长的领域
或者，我们的工作也有助于创造更好的量子存储器，甚至有助于建造一个量子可切换光学镜，”博士研究员、第二作者大卫·魏补充道
“这两者都是量子信息处理的有趣进展
"
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