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光子準粒子：光與物質的相互作用

2020-10-14 14:14

來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客

原創長光所Light中心中國光學收錄于話題#量子光學3個

撰稿 | Charlie（浙江大學博士生）

光與物質之間的相互作用在光譜學、傳感、量子信息處理和激光等領域發揮著重要作用。在這些應用中，光通常被視為在真空中以光速傳播的電磁平面波。因此，光與物質的相互作用通常可以被視為非常弱的，并且在量子電動力學計算中往往只保留到最低階來處理。

然而，如果要理解光子與材料準粒子（表面等離激元、聲子和激子）的耦合方面取得的進展，需要對光-物質相互作用的本質進行更深刻的認識。

在光子準粒子的應用中，光子可以被限制在幾納米的空間尺度內，光子的偏振和色散對光與物質相互作用的影響很大，這使得光子與束縛電子以及自由電子相互作用時產生了很多豐富的物理現象。

圖源：Veer

近期，來自美國麻省理工學院(MIT)的Nicholas Rivera和以色列理工學院(Technion)的Ido Kaminer教授在Nature Reviews Physics中聯合發表綜述文章Light–matter interactions with photonic quasiparticles。

該文章聚焦總結了近年來光與物質基于光子準粒子進行相互作用的重要進展，用統一的理論將電子與微腔（或光子晶體）中的光子、等離激元、聲子和激子等之間看似不同的相互作用囊括在一個框架中。

這篇綜述從一個全新的視角看待光與物質相互作用中的束縛電子和自由電子，詳細介紹了如何通過宏觀量子電動力學理論框架去統一描述這些看似不同的電子系統中的光子準粒子現象。

此外，本文還介紹了實現新穎的光與物質作用--光子準粒子相互作用的理論和實驗進展。例如，室溫強耦合，原子中的超快“禁止”躍遷和切倫科夫效應的新應用，以及超快電子顯微鏡的突破和緊湊型X射線源的新概念等。

圖1 宏觀量子電動力學中包含的物理過程圖示

圖源：Nature Reviews Physics 2,538–561(2020) (Fig.1)

如圖1所示，光與物質的相互作用是很多物理效應的核心，在現代科學技術中起著至關重要的作用。光的發射和吸收——原子、分子和固體中的電子以及自由電子——構成了許多成熟和新生技術的基礎。例如現代光譜學、激光、X射線源、發光二極管、光電二極管、太陽能電池，高能粒子探測器和先進的顯微鏡方法。光與物質的相互作用根本上是量子電動力學描述的，在許多情況下，這種相互作用被描述為電子的量子躍遷，并伴隨著真空中電磁場的量子發射、吸收或散射（光子）。

描述光子與電子相互作用的理論幾乎和量子力學本身一樣古老，1927年由保羅·狄拉克（PaulDirac）首次提出，1932年恩里科·費米（EnricoFermi）提出了一個優雅的重整(re-formulate)公式（至今仍在使用）。但是傳統上，對于絕大多數經典尺度上的應用，在經典電磁學理論框架中將光子描述為以光速傳播，波長遠比原子、分子和固體中電子波函數的典型尺寸尺度長得多的平面波是合理且準確的。

但是，近年來，隨著現代物理學的發展，這種傳統理解受到了來自實驗的挑戰。新的實驗使用近場顯微鏡將光子與范德瓦爾斯材料中的偏振子耦合，或者將光限制在不同金屬之間的納米間隙，這些實驗產生了很多用傳統電磁理論難以解釋的現象。特別地，現在的技術手段可以將光耦合到非常小的空間區域，比如等離子(plasmonic)、聲子(phononic)、激子(excitonic)甚至磁振子(magnonic)等極化激元，這些準粒子可以用許多與光子相同的方式進行操縱，因此也被稱為光子準粒子。

作為光場的一部分，光子準粒子作為介質中麥克斯韋方程的量子化時諧解，是一個廣義的概念，它不僅包括極化激元，而且還包括還有真空和均勻介質中的光子，空腔和光子晶體中的光子，甚至包括看起來基本上是非光子的激發，比如體等離子體和體聲子。

這些準粒子通常在偏振、約束和色散等幾個關鍵方面與真空中的光子不同。在研究這些激發是如何被電子（即光與物質相互作用）吸收和發射的時候，人們發現光子與光子準粒子的這些差異使得以前許多在自由空間中是很難甚至不可能實現的現象得以實現。例如，特定的光子準粒子可以將光子的尺寸壓縮到真空中光子波長的千分之一，體積壓縮到百萬分之一；如石墨烯和六角氮化硼等二維材料中的極化激元可以同時實現很高的空間約束和很低的光學損耗。

表1展示了在不同的電磁環境（電子體系）中描述光與物質相互作用所需要用到的不同的矢量勢的表達形式。

事實上，我們可以將這些紛繁復雜的電子體系分成兩類：

一類是束縛電子體系，諸如固體原子，量子阱等勢阱中的電子體系；

另一類是自由電子，即電子在真空環境中做自由運動時的情形。

下面我們就這兩種電子體系分別討論，并且最終利用宏觀量子電動力學將這兩個看似不同的體系中的光與物質相互作用用一個框架統一起來。

表1 不同類型介質中矢量勢的表達形式

圖源：Nature Reviews Physics 2,538–561(2020) (Table 1)

光與束縛電子的相互作用

在束縛電子系統中，光子準粒子的束縛增強了電子與量子化電磁場之間的本征耦合。這是因為光子準粒子?ω（其中ω是頻率）的能量被限制在非常小的體積內，從而產生強大的量子化電場和磁場。這種增強的耦合可以增強電子的自發輻射效率。對于高度約束的光子準粒子，增強的耦合強度足以使電子和電磁場之間發生相干和可逆的能量交換。約束產生的另一個重要影響是它有可能打破控制發生電子躍遷類型的傳統選擇規則。總的來說，這些效應可能催生出亮度更強的單光子源、更高靈敏度的傳感和光譜平臺，甚至可能產生新的糾纏準粒子源。

光與自由電子的相互作用

在自由電子系統中，自發輻射光子準粒子的光譜和方向特性對光子準粒子的色散關系非常敏感。利用結構介質控制色散關系-如光子晶體、光學納米結構或高度約束的極化激元-使得我們可以調控電子能量的光輻射特性。自由電子的非局域量子波特性為通過塑造電子波函數來控制光與物質的相互作用提供了更多的機會。例如，我們可以調控波函數來發現與光子對稱性兼容（或不兼容）的對稱性準粒子，從而利用選擇規則來控制可能的相互作用。當受激電子與受激光場相互作用時，就會產生強光子吸收效應。總而言之，這些效應將會催生出新的高靈敏度粒子探測方案、從紅外到均勻X射線頻率的緊湊型光源，以及具有納米和飛秒分辨率的電子顯微鏡的新平臺。

光子準粒子

光子準粒子是電磁模式的量子化激發，也稱為“介質中的光子”。該模式形式上是任意介質中頻率ω的Maxwell方程在邊界條件下的時諧解。與此量子化激發對應的電磁模式被歸一化，使得單個準粒子狀態下的能量為?ω，其極化和場分布完全由介質的電磁響應函數決定：介電常數ε和磁導率μ。在圖2中展示了一些微觀起源的類型，它們可以對響應函數做出貢獻，比如自由電子（在金屬中）、束縛電子（在簡單絕緣體中，如玻璃）、光學聲子（在極性電介質中）、磁振子（在鐵磁體和反鐵磁體中）和激子（在半導體中）。這些微觀條件決定了材料宏觀響應函數的頻率依賴性。通常，光子準粒子會影響介電函數，但有些準粒子，如激子，由介電函數所決定。例如，激子特性取決于低頻介電函數的屏蔽效應。不同的材料，以及材料的不同幾何形狀，將會產生不同種類的光子準粒子，如圖2所示。

圖2 光子準粒子的微觀來源

圖源：Nature Reviews Physics 2,538–561(2020) (Fig.2)

宏觀量子電動力學

宏觀量子電動力學描述了任意介質中光子準粒子的量子化，同時可以基于基本發射和吸收過程描述任意光子準粒子與任意類型量子物質的相互作用。

盡管束縛電子和自由電子體系起初看起來是不相關的，而且它們聯系著不同的研究領域，我們仍然能夠用一個統一的理論框架去描述它們。統一理論的關鍵在于要對任意電子體系和任意光子體系之間的相互作用進行系統的分類。分類結果如圖1所示，作者根據費曼圖將電子與光子準粒子之間不同的基本相互作用過程進行了分類。這個示意圖（圖1）其實是宏觀量子電動力學的自然結果，因為宏觀量子電動力學描述了電子與材料中電磁場的相互作用的微觀本質。宏觀量子電動力學的一大貢獻在于我們可以在介質中求解宏觀麥克斯韋方程就可以很自然地得到與光子準粒子相關聯的量子化的電磁場。

在一個特定的費曼圖中改變電子的類型或者光子準粒子的類型會產生完全不同的現象，即完全不同的物理效應。例如，原子和分子的自發輻射通常很難與自由電子的切倫科夫輻射想類比，但其實它們都是單光子準粒子的自發輻射過程；切倫科夫效應可以與電子在固體中的聲子放大效應相類比，因為它們都是遵從類似的能量-動量守恒定律的結果；光子誘導近場電子顯微成像(Photon-InducedNear-field Electron Microscopy, PINEM)可以與腔量子電動力學(QED)中的Rabi振蕩相類似;束縛電子非線性高階諧振可以與自由電子的非線性康普頓/湯姆遜散射相類比。這種思考的方式可以使得不同光與物質相互作用中的知識和理論相互遷移。最終，這種視角可以促使我們預測和研究新的相互作用類型。

納米光子學中光與物質相互作用是一個范圍很廣，并且涉及到非常多重要課題的領域：范德瓦爾斯材料中的極化激元，等離激元納米間隙，量子等離子體，增強自發輻射，強耦合物理，電子束光譜學和宏觀量子電動力學。這些方向和領域之前已經有很多優秀的綜述進行了總結，而本篇綜述旨在通過總結納米光子學中光與物質相互作用中理論與實驗的重大進展，統一這些不同的物理現象，從而對上面所描繪的物理圖景進行詳細的闡述。

圖3 電子-光子、電子-等離激元、電子-聲子相互作用的相似點

圖源：Nature Reviews Physics 2,538–561(2020) (Fig.6)

展望

在這篇綜述中，作者總結了束縛電子和自由電子與光子準粒子（介質中的光子）相互作用的宏觀量子電動力學。作者表明，通過使用光子準粒子概念來描述介質中的電磁場，我們可以通過利用光子的禁閉、對稱性或色散來理解許多看似不同的準粒子現象。在這里光子準粒子可以通過宏觀量子電動力學的嚴格解出，它允許任何介質中電磁場的量子化，包括非局域的電磁場。我們可以在真空，透明介質，腔光子，Bloch光子，范德華材料中的光子、極化子和甚至是體聲子和等離子體子（描述非局域響應函數）中進行量子化。而宏觀量子電動力學是光-物質相互作用中一個關鍵的統一工具。

從宏觀量子電動力學基本原理的角度來看，許多光子準粒子與物質的相互作用的問題仍有待探索。在本文中作者重點介紹了一些最有挑戰性的方向，比如，輻射源與連續介質系統超強耦合的本質，超強耦合是否可以用來設計新的光子準粒子束縛態的輻射源，如何利用強多光子效應進行設計光學非線性更強的材料。另一個有趣的方向是輻射源的能級會隨著光子準粒子的吸收和再發射發生變化（即蘭姆位移），輻射源是否可以利用超強耦合區的蘭姆位移任意重新設計。這樣的問題也引發了關于在宏觀量子電動力學中光子準粒子重整化的討論。另外的一個方向是探索怎樣利用這些光子準粒子來制造新型X射線光源。

作者在此強調，目前這一領域仍處于初級發展階段，還有許多理論需要探索，還有許多預測仍在等待被實驗驗證。超過一半的光子誘導近場電子顯微鏡(PINEM)方面的實驗文章在最近5年才發表。展望未來，實驗驗證自發（Cherenkov型）和受激（PINEM型）自由電子與新型極化激元的相互作用將會是一個非常有前景的方向，這種探索將會有可能在納米和飛秒分辨率上產生對高度束縛極化激元進行動力學成像的新方法。

關于光與物質強相互作用的的最新預測是二維材料與高度束縛的光子準粒子的相互作用，但是這一理論預測尚未得到充分實驗驗證。因此，未來最重要的目標之一是實驗檢驗關于增強自發輻射，實現禁帶躍遷，實現強而均勻光學頻率下新材料平臺中的超強耦合現象等令人興奮的理論預測。而且，還必須將自發輻射增強也延伸到雙光子過程。另一個未來令人期待的實驗方向是在光子準粒子的束縛電子和自由電子的moiré系統中探索光與物質的相互作用。這樣的實驗將能夠觀察到扭曲的雙層系統和光學腔，改變moiré系統的能譜，甚至可能影響電子輸運和材料的其他宏觀性質。

文章信息

Rivera, N., Kaminer, I. Light–matter interactions with photonic quasiparticles. Nat Rev Phys 2, 538–561 (2020).

論文地址

https://doi.org/10.1038/s42254-020-0224-2

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