行業視角｜世界上最輕光學鏡面誕生！竟比頭髮絲還薄千倍？

博頓導讀

近日，馬克斯·普朗克量子光學研究所（MPQ）的物理學家成功設計出有史以來最輕的光學鏡。這種光學鏡面比頭髮絲還薄千倍！到底是怎麼回事呢？下面博頓君帶你了解。

僅由約200個原子的單分子層形成的光學鏡子——它是世界上最輕的反射鏡面。

這種新型的超異材料是由一個只有幾百個相同原子的單層結構構成的。原子排列在由幹涉雷射束形成的二維光學晶格陣列中。

該研究結果是在原子有序亞波長量子光學這一最近才出現的新領域中首次進行的實驗觀察。到目前為止，這款鏡子是獨一無二的！研究結果發表在2020年7月15日的《自然》（Nature）雜誌上。

通常，鏡子利用高度拋光的金屬表面或特殊塗層的光學鏡片，以提供更輕質的性能。但MPQ的物理學家們現在首次證明，即使是由幾百個原子組成的單一結構層也能形成一面光學鏡子，使之成為人們所能想到的最輕的一面鏡子。這種新鏡子只有幾十納米薄，比人類頭髮絲的寬度還要薄1000倍。然而，它的反射是如此強烈，甚至可以被人類的眼睛觀察到。

鏡子背後的機械裝置

這種鏡子用二維排列的相同原子來工作。它們以一種規則的模式排列，間距小於原子的光學躍遷波長——這是超材料的典型和必要的特徵。

超材料是人工設計的結構，具有非常特殊的性質，而這些性質在自然環境中很少被發現。它們的特性不是由它們所使用的材料獲得的，而是由它們被設計的特定結構獲得的。

這種新型光學鏡的特性——規則圖案和亞波長間距（subwavelength spacing）——以及它們之間的相互作用是其背後的兩個關鍵原理。首先，規則的圖案和原子的亞波長間距都抑制了光的漫射散射，將反射束成單向穩定的光束。

其次，由於原子之間的距離相對較近且離散，入射光子在被反射之前可以在原子之間多次來回反彈。在這兩種效應的結合下，光的被抑制散射和光子的反彈，導致了「對外部場的增強合作響應」，在這種情況下意味著——它可以產生非常強烈的反射。

打造更高效的量子器件

直徑約7微米的鏡子本身非常小，遠遠超出了視覺識別範圍。然而，製造這種裝置的裝置是巨大的。與其他量子光學實驗完全一樣，它有超過一千個光學元件，重約兩噸。這種新穎的材料也許不會影響人們日常使用的那些常規意義上的鏡子，但它在另一方面的科學影響卻可能是非常深遠的：

「結果讓我們非常興奮。在典型的稀疏整體合奏中，在我們的系統中起重要作用的原子之間的光子介導的相關性在傳統量子光學理論中通常被忽略。另一方面，將超低溫原子加載到光學晶格中所形成的有序原子陣列，主要用於研究凝聚態模型的量子模擬。但現在它也變成了一個研究新的量子光學現象的強大平臺。」該論文的第一作者、博士後研究員Jun Rui解釋說。

論文的作者在複雜的實驗裝置前

沿著這條線索進行進一步的研究，可以加深對光與物質相互作用的量子理論的基本理解，利用光子的多體物理，並使更高效的量子器件的工程成為可能。

「許多新的令人興奮的機會已經被打開，例如一個有趣的方法來研究量子光學力學，這是一個不斷增長的領域，並有助於研究機械設備中光的量子性質。或者，我們的工作也可以幫助創造更好的量子記憶，甚至是建立一個量子可切換光學鏡子。」博士研究員和論文第二作者DavidWei表示。「這對量子信息處理來說無疑是非常有趣的進步。」

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