研究人员在亚纳米尺度上解开了光与物质的相互作用，

从而产生了皮米光子学

诸平

This figure demonstrates picophotonics in the 3D lattice of silicon atoms. The red wave represents the conventional electromagnetic wave propagating in the solid. The blue inner wave represents the new predicted picophotonic wave. Credit: Purdue University/Zubin Jacob

据美国普渡大学（Purdue University）谢丽尔·皮尔斯（Cheryl Pierce）2022年11月16日报道，该校研究人员在亚纳米尺度上解开了光与物质的相互作用，从而产生了皮级光子学（Researchers unlock light-matter interactions on sub-nanometer scales, leading to 'picophotonics'）。

普渡大学的研究人员发现了皮米尺度的电磁场空间变化的新波，这种电磁场可以在像硅这样的半导体中传播。该研究小组由普渡大学物理和天文学系埃尔莫尔电子和计算机工程副教授（Elmore Associate Professor of Electrical and Computer Engineering and Department of Physics and Astronomy）祖宾·雅各（Zubin Jacob）博士领导，相关研究结果于2022年10月27日已经在《物理评论应用》（Physical Review Applied）杂志网站发表——Sathwik Bharadwaj, Todd Van Mechelen, Zubin Jacob. Picophotonics: Anomalous Atomistic Waves in Silicon. Physical Review Applied, 2022, 18(4): 044065. Published 27 October 2022. DOI: 10.1103/PhysRevApplied.18.044065. https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.18.044065

祖宾·雅各说：“显微镜的”（microscopic）这个词起源于微米的长度单位，是由微米前缀（micro-）与观测仪的（scopic）结合而成的。我们的工作是研究皮光区中的光与物质之间的相互作用（light matter interaction），它比微光区要小得多，类似的“picoscopic”应该称为“显皮镜的”，原子晶格的离散排列会以惊人的方式改变光的性质。”

这些有趣的发现表明，自然介质在原子层面上存在着各种丰富的光-物质相互作用现象。皮米光子波（picophotonic waves）在半导体材料中的应用，可能会促使研究人员设计出新的功能性光学器件，从而使其在量子技术（quantum technologies）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多种光子设备的核心。在过去的十年里，纳米光子学（nanophotonics）已经取得了重要进展。纳米光子学研究光如何在光子晶体（photonic crystals）和超材料（metamaterials）等工程结构中在纳米尺度上的流动。现有的这项研究可以在原子物质的经典理论领域中得到体现。当前导致皮米光子学（picophotonics）的发现是由于物质中原子反应的量子理论的重大飞跃而实现的。该研究小组由祖宾·雅各、普渡大学的研究科学家塞思维克·巴拉德瓦杰（Sathwik Bharadwaj）博士和普渡大学前博士后托德·范·梅赫伦（Todd Van Mechelen）博士组成。

这个领域里长期存在的难题是原子晶格之间的联系缺失，它们的对称性以及它在深邃的皮米观光场（picoscopic light fields）中所扮演的角色。为了回答这个难题，该理论团队开发了麦克斯韦·汉密尔顿框架（Maxwell Hamiltonian framework），结合了材料中光致响应的量子理论。

祖宾·雅各说：“这与纳米光子学（nanophotonics）中应用的传统光流处理方法相比是一个关键的转变。光在材料中的量子特性是出现皮米光子学现象（picophotonics phenomena）的关键。”

塞思维克·巴拉德瓦杰和他的同事们发现，在传统的众所周知的电磁波中，新的反常波出现在原子晶格中。这些光波即使在硅晶体（亚纳米级）的一个基本构造块内也是高度振荡的。

塞思维克·巴拉德瓦杰说：“天然材料本身就具有丰富的晶格对称性，光线会受到这种对称性的强烈影响。当下的下一个目标是将我们的理论应用于大量的量子和拓扑材料，并通过实验验证这些新波的存在。”

祖宾·雅各说：“我们的团队在原子层面上一直处于物质内部皮米级电动力学场（pico-scale electrodynamic fields）研究的前沿。我们最近发起了皮米电动力学理论网络（picoelectrodynamics theory network），将不同的研究人员聚集在一起，探索物质内部微观皮米级电动力学场（microscopic pico-electrodynamic fields）产生的宏观现象。”

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Researchers propose new topological phase of atomic matter hosting 'photonic skyrmions'

Abstract

The concept of photonic frequency-momentum (ω-q) dispersion has been extensively studied in artificial dielectric structures such as photonic crystals and metamaterials. However, the ω-q dispersion of electrodynamic waves hosted in natural materials at the atomistic level is far less explored. Here, we develop a Maxwell Hamiltonian theory of matter combined with the quantum theory of atomistic polarization to obtain the electrodynamic dispersion of natural materials interacting with the photon field. We apply this theory to silicon and discover the existence of anomalous atomistic waves. These waves occur in the spectral region where propagating waves are conventionally forbidden in a macroscopic theory. Our findings demonstrate that natural media can host a variety of yet to be discovered waves with subnanometer effective wavelengths in the picophotonics regime.