研究人员解开亚纳米尺度的光物质相互作用导致 皮光子学的出现

普渡大学的研究人员发现了具有皮米级空间变化的电磁场的新波，它可以在硅等半导体中传播。由电气与计算机工程系和物理与天文学系的埃尔莫尔副教授祖宾-雅各布博士领导的研究小组在《物理评论应用》上发表了他们的发现，论文题目是 "微光子学。硅中的反常原子波"。

"微观这个词起源于微米的长度尺度，它比米小一百万倍。雅各布说："我们的工作是在皮镜系统内进行光与物质的相互作用，皮镜系统要小得多，其中原子格子的离散排列以惊人的方式改变了光的特性。

这些耐人寻味的发现表明，天然介质在原子水平上承载着各种丰富的光-物质相互作用现象。在半导体材料中使用皮光子波，可能会使研究人员设计出新的、功能性的光学设备，从而在量子技术中得到应用。

材料中的光-物质相互作用是从激光器到探测器等若干光子设备的核心。在过去的十年里，纳米光子学，即研究光在工程结构(如光子晶体和超材料)中如何在纳米尺度上流动，已经取得了重要进展。这种现有的研究可以在原子物质的经典理论领域内得到把握。目前导致皮光子学的发现是通过使用物质中原子反应的量子理论的重大飞跃来实现的。该团队由雅各布以及普渡大学的研究科学家Sathwik Bharadwaj博士和普渡大学的前博士后Todd Van Mechelen博士组成。

该领域长期以来的难题是原子晶格、其对称性和它对深皮层光场所起作用之间的缺失环节。为了回答这个难题，理论小组开发了一个麦克斯韦物质的哈密顿框架，结合材料中光诱导反应的量子理论。

"雅各布说："这是对应用于纳米光子学的光流的经典处理的一个关键性转变。"光在材料中的行为的量子性质是皮光子学现象出现的关键。"

Bharadwaj及其同事表明，在传统的众所周知的电磁波中隐藏着新的反常波，在原子晶格中出现。这些光波即使在硅晶体的一个基本构件内(亚纳米长度尺度)也是高度振荡的。

"天然材料本身具有丰富的内在晶格对称性，光受到这些对称性的强烈影响，"Bharadwaj说。"紧接着的目标是将我们的理论应用于大量的量子和拓扑材料，同时通过实验验证这些新波的存在。"

"雅各布说："我们的研究小组一直引领着在原子水平上对物质内部皮克级电动力场的研究前沿。"我们最近启动了皮克电动力学理论网络，我们将不同的研究人员聚集在一起，探索源于物质内部微观皮克电动力场的宏观现象。"