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物理学家设计了一个仅由几百个原子组成的光学镜

马克斯·普朗克量子光学研究所(MPQ)的物理学家设计出了可以想象到的最轻的光学镜子。这种新型的超异材料是由一个只有几百个相同原子的单层结构构成的。原子排列在由干涉激光束形成的二维光学晶格中。该研究结果是在原子有序亚波长量子光学这一最近才出现的新领域中首次进行的实验观察。到目前为止,镜子是唯一的同类。研究结果发表在今天的《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眼镜,以提高性能在较小的重量。但MPQ的物理学家们现在首次证明,即使是由几百个原子组成的单一结构层也能形成一面光学镜子,使之成为人们所能想到的最轻的一面镜子。这种新镜子只有几十纳米薄,比人类头发丝的宽度还要薄1000倍。然而,它的反射是如此强烈,甚至可以被纯人类的眼睛看到。

镜子后面的机械装置

这种镜子用二维排列的相同原子来工作。它们以一种规则的模式排列,间距小于原子的光学跃迁波长,这是超材料的典型和必要的特征。超材料是人工设计的结构,具有非常特殊的性质,而这些性质在自然环境中很少被发现。它们的特性不是由它们的材料获得的,而是由它们被设计的特定结构获得的。这种新型光学镜的特征——规则图案和亚波长间隔——以及它们之间的相互作用是其背后的两个关键因素。首先,原子的规则图案和亚波长间距都抑制了光的漫射散射,将反射束成单向稳定的光束。其次,由于原子之间的距离相对较近且离散,入射光子在被反射之前可以在原子之间多次反弹。这两种效应,光的受抑制散射和光子的反弹,导致“对外部场的合作响应增强”,在这种情况下,这意味着:非常强的反射。

通往更高效量子器件的道路上的进展

直径约7微米的镜子本身非常小,远远超出了视觉识别。然而,制造这种装置的装置是巨大的。与其他量子光学实验完全一样,它有超过一千个光学元件,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。另一方面的科学影响可能是深远的。

“结果让我们非常兴奋。在典型的稀体系综中,在我们的系统中起重要作用的原子之间的光子介导的相关性在传统量子光学理论中通常被忽略。另一方面,将超低温原子加载到光学晶格中所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。但现在它也被证明是一个研究新的量子光学现象的强大平台。”

沿着这条线索进行进一步的研究,可以加深对光与物质相互作用的量子理论的基本理解,利用光子的多体物理,并使更高效的量子器件的工程成为可能。

“许多新的令人兴奋的机会已经被打开,例如一个有趣的方法来研究量子光学力学,这是一个不断增长的领域,研究光的量子性质与机械设备。或者,我们的工作也可以帮助创造更好的量子记忆,甚至是建立一个量子可切换光学镜子,”博士研究员和第二作者David Wei补充说。“这对量子信息处理来说都是有趣的进步。”

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