突破量子光子学的边界：新的纳米腔开启了光限制的新前沿

在量子纳米光子学的一次重大飞跃中，一个由欧洲和以色列物理学家组成的团队引入了一种新型的极性腔，并重新定义了光限制的极限。发表在《自然材料》杂志上的一项研究详细介绍了这项开创性工作，展示了一种限制光子的非传统方法，克服了纳米光子学的传统局限

物理学家长期以来一直在寻找迫使光子体积越来越小的方法。光子的自然长度尺度是波长，当光子被迫进入比波长小得多的空腔时，它实际上会变得更加“集中”。这种集中增强了与电子的相互作用，放大了空腔内的量子过程

然而，尽管在将光限制在深亚波长体积中方面取得了显著成功，但耗散效应（光学吸收）仍然是一个主要障碍。纳米腔中的光子被吸收得非常快，比波长快得多，这种耗散限制了纳米腔在一些最令人兴奋的量子应用中的适用性

西班牙巴塞罗那ICFO的Frank Koppens教授的研究小组通过创造具有亚波长体积和延长寿命的无与伦比的组合的纳米腔来应对这一挑战。这些纳米腔的面积小于100x100nm²，厚度仅为3nm，可将光限制在更长的时间内。关键在于双曲声子极性子的使用，这是在形成空腔的2D材料中发生的独特电磁激发

与之前对基于声子极化子的腔的研究不同，这项工作利用了一种新的间接约束机制。纳米腔是通过在金基底上钻纳米级孔制成的，具有He聚焦离子束显微镜的极端（2-3纳米）精度。在制造出孔后，六方氮化硼（hBN），一种2D材料，被转移到它的顶部。

hBN支持被称为双曲光子极性子的电磁激发，这种电磁激发与普通光相似，只是它们可以被限制在极小的体积内。当极性子通过金属边缘上方时，它们会受到金属的强烈反射，从而被限制。因此，这种方法避免了直接对hBN进行整形，并保持了其原始质量，从而在腔中实现了高度受限和长寿命的光子

这一发现始于在另一个项目中使用近场光学显微镜扫描2D材料结构的偶然观察。近场显微镜可以在光谱的中红外范围内激发和测量极性子，研究人员注意到这些极性子从金属边缘异常强烈的反射。这一意外的观察引发了更深入的研究，从而实现了独特的限制机制及其与纳米线形成的关系

然而，在制作和测量空腔时，团队获得了巨大的惊喜。第一作者、巴伊兰大学物理系的Hanan Herzig Sheinfux博士说：“实验测量通常比理论预测的要糟糕，但在这种情况下，我们发现实验的效果优于乐观的简化理论预测。”。“这一意外的成功为量子光子学的新应用和进步打开了大门，突破了我们认为可能的极限。”

Herzig Sheinfux博士在ICFO的博士后任期内与Koppens教授一起进行了这项研究。他打算利用这些空腔来观察以前认为不可能的量子效应，并进一步研究双曲声子极化子行为的有趣和违反直觉的物理现象