超材料(meta material) 与微腔光子强耦合理论:从经典物理学走向非厄米光子学
发布时间:2024年3月13日 分类:科普资讯 浏览量:378
作者:王玥莹

自由空间中,当光与物质相互作用并将电子激发到更高能态时,电子会通过自发辐射返回到基态。通常来说,这一过程是不可逆的。然而当物质位于光学微腔内并与之耦合时,电子的自发辐射过程就可以被逆转,从而导致光子在腔内的重新吸收和发射。这一过程会引起拉比振荡(Rabi oscillation),即电子以拉比角频率2g在基态和激发态之间振荡,其中g是跃迁偶极矩与微腔模式之间的耦合强度。当该耦合强度高于材料和微腔的衰减速率时,我们便称之为强耦合[1]。强耦合理论是当代腔量子动力学(QED)的核心。


传统的QED研究重在理解强耦合系统中光子的行为[2]。而近十几年来,科学家们逐渐将研究重点转向通过强耦合实现对材料特性的调控,如提高材料或结构的电导率、超导性、控制化学反应中的基态和激发态等[3-4]。
随着加工水平的提高,亚波长尺度且电磁响应可被设计的超材料被越来越多地被用于强耦合研究中。特别是超材料的暗模式被广泛用于提高Q值、抑制辐射损耗,实现电磁诱导透明(EIT)[5]、Fano共振[6]和连续域束缚态(BIC)[7]。
以上超材料和微腔光子之间的静态强耦合已被广泛研究。可预见未来的研究方向在于通过控制耦合模式的损耗和耦合强度,实现对超材料极化模式的主动和动态调控。目前颇具潜力的几个类别包括:
- 时间分辨光谱学,特别是对脉冲扰动振荡系统的亚周期动力学的研究。实现极化模式的超快开关对于超快光电器件的设计至关重要[8]。
- 自主调控或可重构的超材料体系,可以考虑采用电导率易被光/电调谐的材料,例如二维材料和过渡金属半导体。另外,由于其对温度、磁场、电流和光辐射等的高度敏感性,高温超导材料也被逐渐应用于设计太赫兹宽频可调的谐振元件[9]。
- 通过增加耦合强度(从强耦合到超强甚至深强耦合),从经典物理学,包括各种经典电磁模式的耦合,逐步过渡到量子体系,如电磁模式与费米子的耦合。
- 非厄米光子学(non-Hermitian photonics)。在量子力学中,厄米性假设(哈密顿算子等于其复共轭转置)通常被认为是哈密顿算子可解得实特征值的基本要求。然而近年来研究表明,开放量子系统(open quantum system)例如极化激元,严格来说属于非厄米体系。非厄米体系最典型的特征之一是由耦合强度和损耗等参数改变导致能带简并而产生的奇异点(Exceptional points)。该奇异点标志着从PT对称到PT对称破缺的转变[10]。最简单的非厄米体系就是两个耦合谐振器,可通过超材料和光学微腔的耦合来实现,并且可以用耦合模理论描述。
总而言之,超材料与光学微腔之间的强耦合展现了许多新奇有趣的物理现象,其中包括非厄米光学,多粒子相互作用和亚周期超快动力学。在未来的QED理论和实验研究中,超材料必定会占据不可忽视的地位。而对亚波长尺寸的超材料进行纳米尺度的光学研究,则离不开高空间分辨率的散射式近场光学显微镜(s-SNOM)。
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引用文献
- C. Gerry and P. Knight, Introductory Quantum Optics, Cambridge, Cambridge University Press, 2004.
- S. Haroche, “Nobel lecture: controlling photons in a box and exploring the quantum to classical boundary,” Rev. Mod. Phys., vol. 85, no. 3, pp. 1083−1102, 2013
- B. Xiang, et al., “Intermolecular vibrational energy transfer enabled by microcavity strong light−matter coupling,” Science, vol. 368, no. 6491, pp. 665−667, 2020
- F. Herrera and F. C. Spano, “Cavity-controlled chemistry in molecular ensembles,” Phys. Rev. Lett., vol. 116, no. 23, p. 238301, 2016
- J. Q. Gu, et al., “Active control of electromagnetically induced transparency analogue in terahertz metamaterials,” Nat. Commun., vol. 3, p. 2153, 2012
- N. Liu, S. Kaiser, and H. Giessen, “Magnetoinductive and electroinductive coupling in plasmonic metamaterial molecules,” Adv. Mater., vol. 20, no. 23, pp. 4521−4525, 2008
- K. Koshelev, S. Lepeshov, M. K. Liu, A. Bogdanov, and Y. Kivshar, “Asymmetric metasurfaces with high-Q resonances governed by bound states in the continuum,” Phys. Rev. Lett., vol. 121, no. 19, p. 193903, 2018.
- J. Kuttruff, et al., “Sub-picosecond collapse of molecular polaritons to pure molecular transition in plasmonic photoswitchnanoantennas,” Nat. Commun., vol. 14, p. 3875, 2023.
- Z. Velluire-Pellat, et al., “Hybrid quantum systems with high-Tc superconducting resonators,” Sci. Rep., vol. 13, no. 1, p. 14366, 2023..
[10] S. R.-K. Rodriguez,“Classical and quantum distinctions between weak and strong coupling,” Eur. J. Phys., vol. 37, no. 2, p. 025802,
2016..