财讯：光子准粒子：光与物质的相互作用

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原创长光所light中心中国光学在话题#量子光学三个写作| charlie (浙江大学博士生)光与物质的相互作用在光谱学、传感、量子新闻解决和激光等行业中起着重要意义。 在这些应用程序中，光被认为是以真空速度传播的电磁平面波。 因此，光和物质的相互作用一般被认为非常弱，同时在量子电动力学计算中，大多只保存到最低等级就能解决。 但是，要理解光子与材料准粒子(表面等离子体激元、声子、激子)结合的进展，需要更深入地认识光物质相互作用的本质。 在光子准粒子的应用中，光子可以被限制在几纳米的空之间的尺度，光子的偏振光和色散对光与物质相互作用的影响，在光子、束缚电子和自由电子相互作用时产生了很多丰富的物理现象。 图源: veer最近由美国麻省理工大学( mit )的nicholas rivera和以色列理工学院( technion )的ido kaminer教授在nature reviews physics上联合综述文案light-matter 该拷贝聚焦总结了近年来光和物质基于光子准粒子相互作用的重要进展，以统一的理论对电子和微腔(或光子晶体)中的光子、等离子体激元、声子和激子等之间外观不同的相互作用进行了总结 该综述从全新的角度看待光与物质相互作用中的束缚电子和自由电子，通过宏观量子力学理论的框架详细介绍了统一描述这些看起来不同的电子系统中的光子准粒子现象的方法。 同时介绍了实现新奇光和物质作用光子准粒子相互作用的理论和实验进展。 例如，室温的强耦合、原子中的超高速“禁止”迁移和切伦科夫效应的新应用、超高速电子显微镜的突破和紧凑的x射线源的新概念等。 图1宏观量子力学中包含的物理过程图的来源: naturereviewsphysics 2，538-561 ( ) ( FIG.1 )如图1所示，光与物质的相互作用是许多物理效应的核心，在现代科学技术中发挥着重要的作用。 光的释放和吸收——原子、分子和固体中的电子和自由电子——构成了多项成熟和新生技术的基础 例如现代光谱学、激光、x射线源、发光二极管、光电二极管、太阳能电池、高能粒子检测器、先进显微镜方法 光和物质的相互作用基本上是量子力学描述的，在很多情况下，这种相互作用被描述为电子的量子跃迁，伴随着真空中电磁场的量子发射、吸收或散射(光子)。 记述光子和电子相互作用的理论几乎和量子力学本身一样古老，1927年由保罗·狄拉克( pauldirac )首次提出，1932年恩里科·费米( enricofermi )优雅的改性( re-formulate ) 但是，对于以前传下来的在绝大多数古典尺度中的应用，用古典电磁学理论框架记述以光速传递光子，波长比原子、分子和固体中电子波函数的典型尺寸尺度长得多的平面波是合理和正确的。 但是，近年来，随着现代物理学的迅速发展，这种以前流传下来的理解受到了实验的挑战。 新的实验利用近场显微镜结合光子和范德瓦尔斯材料中的偏振片，或将光限制在不同金属之间的纳米间隙，这些实验产生了前传电磁理论难以解释的现象。 特别是，现在的技术手段可以在等离子体、声子、激子、甚至磁振子( magno )等非常小的空间区域耦合光。 作为光场的一部分，光子准粒子作为介质中麦克斯韦方程组的量子化时调和，是不仅包括偏振准分子，还包括真空和均匀介质中的光子、空空洞和光子晶体中的光子、甚至几乎看起来的光子的广义概念。 这些准粒子一般在偏振、约束、分散等几个重要方面与真空中光子不同 研究这些激发是如何被电子(即光和物质的相互作用)吸收和释放的时，发现光子和光子准粒子的这些差异在以往的自由空之间不太容易，实现了不可能的现象。 例如，特定光子准粒子可以将光子的尺寸压缩为真空中的光子波长的千分之一，将体积压缩为百万分之一。 石墨烯和六角氮化硼等二维材料中的极化准分子可以实现高空约束和低光学损失。 表1显示了在不同的电磁环境(电子系统)中描述光和物质的相互作用所需的不同的矢势的表现 实际上，我们可以把这些多种多样复杂的电子系统分为两类:一类是束缚固体原子、量子阱等电子系统的势阱中的电子系统。 另一个是自由电子，即电子在真空环境中自由运动的情况。 在分别讨论这两个电子系统的同时，最终利用宏观量子力学，在一个框架内统一这两个看起来不同的系统中的光和物质的相互作用。 表1不同类型介质中矢势的表现形式图源: naturereviewsphysics 2，538-561 ( ) ( table1)光与束缚电子的相互作用在束缚电子系统中，光子准粒子的束缚是电子与量子电磁场之间的真 这是因为光子准粒子ω(ω是频率)的能量被限制在非常小的体积，产生强的量化电场和磁场。 这种增强的耦合可以提高电子的自发辐射效率 对于高度约束的光子准粒子，增强的耦合强度足以在电子和电磁场之间产生相干且可逆的能量交换。 约束的另一个重要影响是可能打破控制电子转移类型的以前的选择规则。 总结起来，这些效果有可能产生亮度更强的单光子源、更高灵敏度的传感和光谱平台，甚至新的纠缠准粒子源。 光与自由电子的相互作用在自由电子系统中，自发发射光子准粒子的光谱和方向特性对光子准粒子的色散关系非常敏感。 通过使用结构介质控制光子晶体、光纳米结构体、高度约束的极化准分子等的色散关系，可以控制电子能量的光辐射特性。 自由电子的非局域量子波的特征为通过形成电子波函数来控制光和物质的相互作用提供了越来越多的机会。 例如，可以控制波函数来发现与光子对称性兼容(或不兼容)的对称性准粒子，并利用选择规则来控制可能的交互。 激励电子和接受激光的情况相互作用时，产生强光子的吸收效果 总的来说，这些效果产生了新的高灵敏度粒子检测方案、从红外到均匀的x射线频率的紧凑光源、具有纳米和飞秒分辨率的电子显微镜的新平台。 光子准粒子光子准粒子是电磁模式的量子化激发，也被称为“介质中的光子”。 该模式形式是任意介质中频率ω的maxwell方程在边界条件下的时谐和解 与该量化激励对应的电磁模式被归一化为单一准粒子状态下的能量为ω，其极化和场分布完全由介质的电磁响应函数决定:介电常数ε和磁导率μ 图2显示了能够有助于自由电子(金属中)、束缚电子(玻璃等简单绝缘体中)、光学声子(极性电介质中)、磁振子(强磁性体和反强磁性体中)、激子(半导体中)等响应函数的微观起源的类型。 这些微观条件决定了材料宏响应函数的频率依赖性 一般来说，光子准粒子会影响介电函数，但有些准粒子(如激子)是由介电函数决定的。 例如，激子的特征依赖于低频介电函数的屏蔽效应 如图2所示，根据材料和材料的几何形状，会生成不同种类的光子准粒子。 图2光子准粒子的微观源图源: naturereviewsphysics 2，538-561 ( ) ( FIG.2 )宏观量子力学宏观量子力学描述了任意介质中光子准粒子的量子化，并根据基本辐射和吸收过程与任意光子准粒子形成任意种类的 约束电子和自由电子系统最初看起来不相关，它们与不同的研究行业相关，但我们可以用统一的理论框架来描述它们。 统一理论的关键是系统地分类任意电子系统和任意光子系统的相互作用。 分类结果如图1所示，作者根据精细图对电子和光子准粒子之间不同的基本相互作用过程进行了分类。 这个示意图(图1 )其实是宏观量子力学的自然结果，因为宏观量子力学描述了电子和材料中电磁场相互作用的微观本质。 宏量子力学的巨大贡献是，如果能在介质中求解宏麦克斯韦方程，就能自然地得到与光子准粒子相关的量化电磁场。 如果在某个特定的费曼图中改变电子的类型和光子准粒子的类型，就会产生完全不同的现象，即完全不同的物理效果。 例如，原子和分子的自发辐射一般不像自由电子的切伦科夫辐射，但实际上是单光子准粒子的自发辐射过程。 切伦科夫效应是遵循同样能量动量守恒定律的结果，因此也可以与固体中的电子的声子放大效应相似。 光子感应近场电子显微镜图像( photon-induced near-fieldelectronmicroscopy，pinem )可以与空洞量子力学( qed )中的rabi振动类似。 束缚电子的非线性高阶共振可以类似于自由电子的非线性康普顿/汤姆森散射 这种想法可以使不同光和物质相互作用中的知识和理论相互转移 最终，这种观点可以促使我们预测和研究新的相互作用类型。 光与物质在纳米光子学中的相互作用范围很广，同时是非常多重要的课题相关行业:范德瓦尔斯材料中的极化激子、等离子体纳米间隙、量子等离子体、自发辐射增强、强耦合物理、电子束光谱学和宏观量子力学 这些方向和行业以前总结了许多优秀的综述，本综述旨在总结纳米光子学中光与物质相互作用方面的理论和实验的重大进展，通过统一这些不同的物理现象，详细阐述上面描绘的物理图景 图3电子光电子等离子体电子声子相互作用的相似点图源: naturereviewsphysics 2，538561 ( ) ( FIG.6 )展望在该综述中，作者总结了束缚电子。 作者表明，通过使用光子准粒子的概念描述介质中的电磁场，利用光子的禁止、对称性或色散，可以理解多个看起来不同的准粒子现象。 这里，光子准粒子可以在宏观量子力学上严密地求解，允许包括非局部电磁场在内的所有介质中的电磁场的量化。 可以用真空、透明介质、空洞光子、bloch光子、范德瓦尔斯材料中的光子、极化子、以及体声子和等离子体子(记述非局域响应函数)进行量化。 宏观量子力学是光物质相互作用的重要统一工具。 从宏观量子力学基本原理的角度来看，多个光子准粒子和物质相互作用的问题还没有探索。 本文介绍了辐射源和连续介质系统的超强耦合的本质、超强耦合能否用于设计新的光子准粒子束缚状态的辐射源、如何利用强多光子效应设计光学非线性更强的材料等最具挑战性的方向 另一个感兴趣的方向是辐射源的能级根据光子准粒子的吸收和再发射而变化(即拉姆位移)，辐射源能否利用超强结合区的拉姆位移任意再设计。 这样的问题也引起了宏观量子力学中光子准粒子改性的讨论。 另一个方向是探索利用这些光子准粒子如何制造新的x射线光源。 作者在这里强调，现在这个行业还处于初期的快速发展阶段，还有多个理论需要探索，还有多个预测有待实验验证。 最近5年发表了一半以上的光子感应接近电子显微镜( pinem )方面的实验复印件。 展望未来，实验验证自发( cherenkov型)和诱导( pinem型)自由电子与新型极化准分子的相互作用是非常有前途的方向，这种探索可以产生对纳米和飞秒分辨率高度束缚的极化准分子进行动力学成像的新做法 关于光和物质强相互作用的最新预测是二维材料和高度束缚的光子准粒子的相互作用，但该理论预测还没有得到充分的实验验证。 因此，未来最重要的目标之一是通过实验验证自发辐射的增强、禁带迁移的实现、强均匀光学频率下的新材料平台中的超强耦合现象等令人兴奋的理论预测。 另外，自发辐射增强也需要扩展到双光子过程 另一个值得期待的实验方向是用光子准粒子的束缚电子和自由电子的moiré系统探索光和物质的相互作用。 这种实验关注扭曲的双重系统和光学腔，改变moiré系统的能谱，也可能影响电子传输和材料的其他宏观性质。 文案新闻rivera，n .，kaminer，I.light–matterinteractionswithphotonicquasiparticles.natrevphys 2，538-561 ( ) .论文地址doi/10.1038 / 根据最新的规则，多次建议进入“中国光学”。 欢迎转载/合作/课题组投稿课题组: 447882024banner区域建议过去进入新书投稿: light:advancedmanufacturingissn 2689-966 如果觉得有用的话，转发WeChat的力矩对我们来说是最大的赞同【】原标题:“光子准粒子:光与物质的相互作用”原文