光與物質之間的相互作用涵蓋了一系列令人驚嘆的現象，從光合作用到彩虹和蝴蝶翅膀的迷人色彩。盡管這些表現形式多種多樣，但它們涉及的光與物質耦合強度非常弱。本質上，光與物質系統相互作用，但不會改變其基本屬性。
然而，對于經過人工設計以最大化光物質耦合的系統，會出現一組截然不同的現象。增強光與物質相互作用的強度后，會出現有趣的量子態，它們既不是光也不是物質，而是兩者的混合體。無論是從基礎物理研究還是從器件應用的角度看，這種狀態都具有很高的意義，例如用于實現光子之間的相互作用。
增強光與物質之間的耦合強度，不僅有望大大提升光學傳感的靈敏度和準確性，極大的減小光探測器、光傳感器、光子芯片等光學器件的尺寸，提升光學元件的可集成性和便攜性，同時有望發現諸如強光學非線性效應等新穎的物理現象。因此，長久以來，增強光與物質之間相互作用的強度一直是現代光學研究的核心問題。
隨著近年來材料微納加工工藝的進步和新型電磁材料（如二維材料、超材料、超表面、光子晶體等）的出現，現代光學可以通過新型光學材料和結構，將光束縛在亞波長尺度，極大地增強光與物質相互作用的耦合強度。然而，光與物質相互作用的強度究竟有無物理學意義上的極限，迄今尚沒有統一的定論和答案，這也成為學術界一直以來懸而未決的重大問題之一。
鑒于此，來自瑞士蘇黎世聯邦理工大學與英國南安普頓大學的研究人員合作，以“Polaritonic nonlocality in light–matter interaction”為題在 Nature Photonics發表文章，報道了他們在開口環型諧振極化激元系統中所發現的光與物質耦合新極限。
圖1：用三維顏色圖表示的開口環型諧振器超表面的仿真電場分布圖。圖中高動量的磁性等離激元（藍色球體）導致了極化激元的崩潰（紅色的光子）
該團隊證明：如果電磁場集中在越來越小的體積中，那么在某個時刻，光與物質混合態（極化子）的本質開始發生變化。極化特征的這種根本變化反過來又阻止了耦合強度的進一步增加。
這種限制不是一些遙遠的場景，在最先進的納米光子器件中，已經遇到了這種范式變化的特征，只是對根本原因還沒有確切的認識，這個空白現在由該成果填補。此外，他們新開發的框架可能不僅適用于他們研究的特定設備，還適用于其他納米光學系統，例如基于石墨烯或過渡金屬二硫屬化物 (TMD) 的系統，以及除開口環型諧振器以外的幾何結構諧振器。因此，新工作應該為光物質耦合提供一般定量的極限值。
為了通過減少光被限制在的亞波長體積來探索增加光物質耦合的束縛性，該團隊開發了一個理論框架，他們通過實驗和計算機模擬測試了其預測。
一個關鍵發現是：研究人員在他們實驗室用的開口環型諧振器250nm的間隙中，探測到了強烈的非局域效應。
這是因為在臨界長度尺度以下，由于提供了大的載流子面內動量，諧振器中緊密限制的光場，不僅限制了量子阱的電子態，而且限制了源自量子阱中已知二維等離子體色散的連續高動量激發。這開辟了新的損耗通道，最終從根本上改變了光和物質在這些納米光子器件中的相互作用方式。
古人云：“志之所趨，無遠弗屆。窮山距海，不能限也”。這不是人們首次探索光與物質相互作用的極限，最著名的是阿貝衍射極限（名詞解釋>）。納米光子學是一個非常活躍和成功的研究領域，科學家們正在研究突破阿貝極限的不同方法。下一步，將是使用一些獨創性并尋找新的方法來限制光，繞過阿貝極限和剛剛發現的極限。
論文信息：
Rajabali, S., Cortese, E., Beck, M. et al. Polaritonic nonlocality in light–matter interaction. Nat. Photon. 15, 690–695 (2021)
https://doi.org/10.1038/s41566-021-00854-3
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