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控制硅超表面中的光物质相互作用

光与物质的相互作用是自然界和社会进程的核心。例如,在太阳能电池中,光被转换为电流,但这种转换过程的效率可以提高。实现这一目标的一种方法是使用所谓的光学腔捕获光。

对于他的博士学位。研究中,GabrielCastellanosGonzalez探索了使用硅超表面来调节光物质相互作用。

令人兴奋的激子

为了控制和增强太阳能电池或照明设备等技术中的光与物质相互作用,需要将光捕获在感兴趣的材料中。这是使用光学腔实现的,光学腔是一种在有限空间中捕获光的设备。光学腔的最简单示例由两个平行的曲面镜组成,其中光被每个镜子的反射捕获。

光腔允许光和物质的相互作用达到称为强耦合的状态,其中光和物质必须使用量子力学原理进行处理。这意味着光和物质被视为具有已知量子态的粒子。对于光来说,粒子是光子,而对于物质来说,它是激子——这是一种物质状态,由带负电的激发电子形成,在电子被激发离开后,它与留下的正空穴结合。

激子存在于一些无机半导体如GaAs(砷化镓)和许多有机分子中。在强耦合状态下,光子和激子形成一个新的状态,它是前者的叠加态。这意味着它既是光又是物质。这种混合状态,称为激子-极化子(激子是一种材料粒子,而极化子是被困在空腔中的光子)继承了两者的特性,并导致了有趣的物理学,例如增强的扩散长度、抗无序的鲁棒性、非常低有效质量和非线性。

一个重要的结果是,这种混合状态,即激子-极化子,可以转变为玻色-爱因斯坦凝聚态,这是一种所有粒子占据相同能级的物质状态,因此表现得像宏观量子态。这对于相干激光类光和量子计算具有有趣的应用。

需要正确的光学腔

然而,腔体的设计对于任何应用程序的开发都是至关重要的,在实践中,两个平行反射镜的最简单示例是行不通的。对非常小和紧凑的设备的要求需要几微米长度的精密设备。

此外,另一个需要考虑的重要因素是设备的光损耗以及操作设备所需的能量。光损耗是指被困在腔中的光的泄漏。腔外漏光越大,补偿这种损失的光输入就越大。目前,激子-极化子的玻色-爱因斯坦凝聚体需要一个太大的凝聚阈值,并且使用的空腔会经历重大损失。

在他的博士学位。在研究中,GabrielCastellanos探索了一种基于半导体材料(特别是硅)的新型腔体,其材料损耗非常低。通过转向设计由硅制成的纳米天线阵列,Castellanos能够控制离开光学腔的光量。由于这项创新,Castellanos和他的合作者几乎可以完全控制设备所经历的损失。

周期性系统

这项创新的一个核心方面依赖于对周期系统的物理特性及其对称性的理解。当一个纳米天线向所有方向辐射光时,两个或多个一起辐射的纳米天线会相互作用,它们的辐射会相互干扰、叠加或相互抵消。

通过周期性地布置许多纳米天线,这种相互作用和干涉效应产生了被困在周期性区域中的光,并且只能在几个明确定义的方向上逃逸。对称性也很关键。纳米天线的周期性结构可以设计为产生具有空间对称性的光,这种光在腔体之外不存在。由于空间对称性不同,腔内的光无法逃逸。结果是光可以永远被困住。

这种对损失的控制可能会对玻色-爱因斯坦凝聚的阈值产生重大影响,并有望在未来进一步减少这些损失。这是实现基于激子-极化子的紧凑型量子器件的重要一步。

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