光子时间晶体放大光线可以增强通信设施和激光器的能力

光子时间晶体放大光线可以增强通信设施和激光器的能力二维光子时间晶体如何提升光波的图示。资料来源：XuchenWang/阿尔托大学时间晶体最早是由诺贝尔奖获得者FrankWilczek在2012年设想的。普通的晶体有一个在空间中重复的结构模式，但在时间晶体中，该模式在时间中重复。虽然一些物理学家最初对时间晶体的存在持怀疑态度，但最近的实验已经成功地创造了它们。去年，阿尔托大学低温实验室的研究人员创造了成对的时间晶体，可能对量子设备有用。现在，另一个团队制造了光子时间晶体，这是基于时间的光学材料版本。研究人员创造了在微波频率下工作的光子时间晶体，他们表明，这种晶体可以放大电磁波。这种能力有可能应用于各种技术，包括无线通信、集成电路和激光器。到目前为止，对光子时间晶体的研究主要集中在块状材料上，即三维结构。这已被证明是巨大的挑战，而且实验还没有超越没有实际应用的模型系统。因此，包括来自阿尔托大学、卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）和斯坦福大学的研究人员在内的该团队尝试了一种新的方法：建立一个二维光子时间晶体，它被称为元表面。该研究的主要作者王旭晨说："我们发现，将维度从三维结构减少到二维结构，使得实施起来非常容易，这使得在现实中实现光子时间晶体成为可能，"他曾是阿尔托的博士生，目前在KIT工作。这种新方法使研究小组能够制造出光子时间晶体，并在实验中验证关于其行为的理论预测。"我们首次证明了光子时间晶体能够以高增益放大入射光，"王说。"在光子时间晶体中，光子被安排在一个随时间重复的模式中。这意味着晶体中的光子是同步和相干的，这可以导致光的建设性干扰和放大，光子的周期性排列意味着它们也能以促进放大的方式进行互动。"二维光子时间晶体有一系列的潜在应用。通过放大电磁波，它们可以使无线发射器和接收器更强大或更有效。王指出，用二维光子时间晶体涂抹表面也可以帮助解决信号衰减问题，这是无线传输中的一个重要问题。光子时间晶体还可以简化激光器的设计，因为它不再需要通常用于激光腔的大块反射镜。另一个应用来自于这样的发现：二维光子时间晶体不仅能放大在自由空间中击中它们的电磁波，还能放大沿表面传播的波。表面波被用于集成电路中电子元件之间的通信。"当表面波传播时，它受到材料损失的影响，信号强度也会降低。通过将二维光子时间晶体集成到系统中，表面波可以被放大，通信效率也得到提高。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1356471.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1356471.htm

研究人员揭示古罗马玻璃几个世纪以来腐蚀和结晶形成光子晶体的过程

研究人员揭示古罗马玻璃几个世纪以来腐蚀和结晶形成光子晶体的过程研究人员揭示了几个世纪以来腐蚀和结晶形成光子晶体的过程。大约2000年前，在古罗马，装满葡萄酒、水或异国香水的玻璃容器从集市的桌子上掉落，在地上摔成无数碎片。在随后的几个世纪里，这些碎片被埋在土层和碎石之下，并不断受到温度、湿度和周围矿物质变化的影响。现在，这些微小的玻璃碎片从建筑工地和考古挖掘中被发现，并展现出非同寻常的一面。它们的表面镶嵌着蓝色、绿色和橙色等五彩缤纷的颜色，有些还显示出闪闪发光的金色镜面。这些美丽的玻璃制品通常作为吊坠或耳环镶嵌在珠宝上，而更大更完整的物件则陈列在博物馆中。光子晶体及其意义对于塔夫茨大学Silklab工程学教授、材料科学专家菲奥伦佐-奥梅内托（FiorenzoOmenetto）和朱莉娅-圭德蒂（GiuliaGuidetti）来说，令人着迷的是玻璃中的分子如何经过数千年的重新排列并与矿物重新组合，形成所谓的光子晶体--原子的有序排列，以非常特殊的方式过滤和反射光线。光子晶体在现代科技中有许多应用。它们可用于制造波导、光开关和其他设备，在计算机和互联网上实现快速光通信。由于光子晶体可以阻挡特定波长的光，同时允许其他波长的光通过，因此可用于滤波器、激光器、镜子和防反射（隐形）装置。古罗马玻璃表面的光子晶体微观图。图片来源：GiuliaGuidetti在最近发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）上的一项研究中，奥梅内托、圭代蒂及其合作者报告了由玻璃的原始硅酸盐和矿物成分形成的独特原子和矿物结构，这些结构受周围环境的pH值和土壤中地下水水平波动的影响。这个项目始于一次参观意大利理工学院（IIT）文化遗产技术中心的偶然机会。欧梅内托说："架子上这块闪闪发光的美丽玻璃吸引了我们的注意。这是一块在意大利阿奎莱亚古城附近发现的罗马玻璃碎片。"中心主任阿里安娜-特拉维吉亚说，她的团队亲切地称它为'Wow玻璃'。他们决定仔细观察一下。研究人员很快意识到，他们看到的是大自然对光子晶体的纳米加工。奥梅内托说："在泥浆中沉积了两千年的玻璃，最终却成为了纳米光子元件的教科书式范例，这真的很了不起。"腐蚀与重建根据印度理工学院团队的化学分析，这块玻璃碎片的年代在公元前1世纪到公元前1世纪之间，产地是埃及的沙地--这与当时的全球玻璃贸易链条吻合。这块玻璃碎片的主体保留了其原有的墨绿色，但在其表面有一毫米厚的铜锈，几乎呈现出完美的镜面金色反光。奥梅内托和圭代蒂使用了一种新型扫描电子显微镜，它不仅能显示材料的结构，还能提供元素分析。圭代蒂说："这种仪器能以高分辨率告诉你材料是由什么构成的，以及元素是如何组合在一起的。"研究发现，铜绿具有一种分层结构，由高度规则、微米厚的二氧化硅层组成，密度高低交替，类似于被称为布拉格叠层的反射器。每个布拉格堆栈都能强烈反射不同的、波长相对较窄的光线。数十个布拉格叠层的垂直堆积形成了铜绿的金色镜面外观。这种结构是如何逐渐形成的呢？研究人员提出了一种可能的机制，这种机制经过了几个世纪的耐心研究。圭代蒂说："这很可能是一个腐蚀和重建的过程。周围的粘土和雨水决定了矿物质的扩散和玻璃中二氧化硅的周期性腐蚀。与此同时，结合二氧化硅和矿物质的100纳米厚层的组装也在循环进行。其结果是数百层结晶材料形成了令人难以置信的有序排列"。奥梅内托补充说："虽然玻璃的年龄可能是其魅力的一部分，但在这种情况下，如果我们能在实验室中大大加快这一过程，我们可能会找到一种方法来生长光学材料，而不是制造它们。"历史平行衰变和重建的分子过程与罗马城本身有一些相似之处。古罗马人热衷于建造长久的建筑，如渡槽、道路、圆形剧场和神庙。其中许多建筑成为了城市地形的基础。几个世纪以来，这座城市层层发展，建筑物随着战争、社会动荡和时间的流逝而兴衰。在中世纪，人们利用残破和废弃的古建筑材料进行新建。在现代，街道和建筑往往直接建在古代地基之上。圭代蒂说："玻璃表面生长的晶体也反映了城市发展过程中地表条件的变化，是城市环境历史的记录。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1391943.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1391943.htm

成像革命：科学家用超成像新方法突破光学衍射极限

成像革命：科学家用超成像新方法突破光学衍射极限超级透镜在实频和合成复频激励下的成像示意图。同一物体在不同的实频照明下通过超级透镜成像时，会产生不同程度的模糊图像，没有一个实频图像能辨别出物体的真实外观。将多个单频图像的场振幅和相位组合起来，最终就能获得清晰的图像。资料来源：香港大学成像在生物学、医学和材料科学等许多领域都发挥着重要作用。光学显微镜利用光对微小物体进行成像。然而，传统显微镜最多只能分辨光波长数量级的特征尺寸，这就是所谓的衍射极限。为了克服衍射极限，伦敦帝国理工学院的约翰-彭德里爵士提出了超透镜的概念，超透镜可以由负指数介质或银等贵金属制成。随后，香港大学现任校长张翔教授与他当时在加州大学伯克利分校的团队一起，利用银薄膜和银/电介质多层堆栈实验证明了超成像技术。这些工作广泛推动了超级透镜技术的发展和应用。遗憾的是，所有超透镜都不可避免地存在光学损耗，它会将光能转化为热能。这严重影响了超透镜等光学设备的性能，因为它们依赖于光波所携带信息的忠实传递。字母"H"的多实频和复频成像图案。资料来源：香港大学过去三十年来，光学损耗一直是制约纳米光子学发展的主要限制因素。如果能解决这个问题，包括传感、超成像和纳米光子电路在内的许多应用都将受益匪浅。论文通讯作者、港大物理系临时系主任张爽教授解释研究重点时说："为了解决一些重要应用中的光学损耗问题，我们提出了一个实用的解决方案--利用新颖的合成复波激励获得虚拟增益，然后抵消光学系统的固有损耗。作为验证，我们将这种方法应用于超级透镜成像机制，从理论上显著提高了成像分辨率。我们使用双曲超材料制成的超透镜在微波频率范围内和偏振子超材料制成的超透镜在光学频率范围内进行实验，进一步证明了我们的理论。"论文第一作者、香港大学博士后关复新博士补充说："不出所料，我们获得了与理论预测一致的出色成像结果。"克服光损耗的多频方法在这项研究中，研究人员采用了一种新颖的多频方法来克服损耗对超成像的负面影响。复频波可用来提供虚拟增益，以补偿光学系统中的损耗。复频是什么意思？波的频率是指波在时间上的振荡速度。将频率视为实数是很自然的。有趣的是，频率的概念可以扩展到复数域，在复数域中，频率的虚部也具有明确的物理意义，即波在时间上放大或衰减的速度。因此，对于复频波来说，波的振荡和放大是同时发生的。对于虚部为负（正）的复频，波在时间上会衰减（放大）。实频波（a）、复频波（b）和截断复频波（c）的电场剖面图。由多个实频的线性组合合成的截短复频波（d）。资料来源：香港大学当然，理想的复频波并不符合物理原理，因为当时间达到正无穷大或负无穷大时，复频波就会发散，这取决于其虚部的符号。因此，任何现实中的复频波都需要在时间上截断，以避免发散。直接基于复频波的光学测量需要在时域中进行，这将涉及复杂的时间门控测量，因此迄今为止尚未在实验中实现。研究小组利用数学工具傅立叶变换，将截断的CFW分解为不同实际频率的多个分量，从而大大方便了CFW在超成像等各种应用中的实现。通过以固定间隔对多个实际频率进行光学测量，就可以通过数学方法将实际频率的光学响应组合起来，构建出系统在复数频率下的光学响应。使用在光频下工作的碳化硅超级透镜进行超级成像。复频测量的空间分辨率远高于实频测量。SEM图像显示了物体的性能。资料来源：香港大学作为概念验证，研究小组首先使用双曲超材料进行微波频率的超成像。双曲超材料可以携带波矢非常大（或波长非常小）的波，能够传输特征尺寸非常小的信息。然而，波矢越大，光波对光损耗就越敏感。因此，在存在损耗的情况下，这些小尺寸特征的信息会在双曲超材料内部的传播过程中丢失。研究人员的研究表明，通过适当组合在不同实际频率下测量到的模糊图像，就能在复杂频率下形成具有深亚波长分辨率的清晰图像。研究小组将这一原理进一步扩展到光学频率，采用了一种由碳化硅声子晶体制成的光学超级透镜，其工作波长为10微米左右的远红外线。在声子晶体中，晶格振动可以与光耦合，从而产生超成像效果。然而，损耗仍然是空间分辨率的限制因素。虽然在所有实际频率下成像的空间分辨率都受到损耗的限制，如纳米级孔洞的模糊图像所示，但利用由多个频率分量组成的合成CFW，可以获得超高分辨率成像。这项工作为克服纳米光子学中的一个老大难问题--光学系统中的光损耗提供了解决方案。该论文的另一位通讯作者、香港大学校长兼物理与工程学讲座教授张翔教授说："这种合成复频方法很容易推广到其他应用领域，包括分子传感和纳米光子集成电路。他称赞这是一个了不起的、普遍适用的方法，这可以用来解决其他波系统的损耗问题，包括声波、弹性波和量子波，将成像质量提升到一个新的高度。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1389571.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1389571.htm

量子光子学的飞跃：革命性纳米腔体重新定义光约束

量子光子学的飞跃：革命性纳米腔体重新定义光约束长期以来，物理学家一直在寻找将光子强制放入越来越小的腔体中的方法。光子的自然长度尺度是波长，当光子被迫进入一个比波长小得多的空腔时，它实际上变得更加"集中"。这种集中增强了与电子的相互作用，放大了腔体内的量子过程。然而，尽管在将光限制在深亚波长体积方面取得了巨大成功，但耗散（光吸收）效应仍然是一个主要障碍。纳米腔体中的光子吸收非常快，比波长快得多，这种耗散限制了纳米腔体在一些最激动人心的量子应用中的适用性。4个不同大小的偏振腔的3D效果图。图片来源：MatteoCeccanti创新的纳米空腔设计来自西班牙巴塞罗那ICFO的FrankKoppens教授的研究小组通过创建具有无与伦比的亚波长体积和延长寿命的纳米腔体，解决了这一难题。这些纳米空腔的面积小于100x100nm²，厚度仅为3nm，却能将光限制在更长的时间内。关键在于双曲-声子-极化子的使用，这是形成空腔的二维材料中发生的独特电磁激发。纳米空腔（横截面视图）和近场尖端的草图，与空腔模式的模拟射线状场分布叠加在一起。资料来源：MatteoCeccanti与以往基于声子极化子的空腔研究不同，这项研究利用了一种新的间接约束机制。利用氦聚焦离子束显微镜的极高精度（2-3纳米），在金基底上钻出纳米级孔洞，从而制作出纳米空腔。打孔后，在其上面转移二维材料六方氮化硼（hBN）。六方氮化硼支持被称为双曲光子极化子的电磁激元，这种激元与普通光类似，只是可以被限制在极小的体积内。当极化子通过金属边缘上方时，它们会受到金属的强烈反射，从而被束缚住。因此，这种方法避免了直接塑造氢化硼，并保持了其原始质量，使空腔中的光子高度集中且寿命长。纳米空腔及其内部磁场的艺术效果图。资料来源：MatteoCeccanti出人意料的实验成功这一发现源于在另一个项目中使用近场光学显微镜扫描二维材料结构时的一次偶然观察。近场显微镜可以激发和测量光谱中红外范围的极化子，研究人员注意到这些极化子在金属边缘的反射异常强烈。这一意料之外的观察结果引发了更深入的研究，从而发现了独特的禁锢机制及其与纳米雷形成的关系。然而，在制作和测量空腔后，研究小组却发现了一个巨大的惊喜。第一作者、巴伊兰大学物理系的HananHerzigSheinfux博士说："实验测量结果通常比理论预测的要差，但在这种情况下，我们发现实验结果超过了乐观的简化理论预测。这一意想不到的成功为量子光子学的新颖应用和进步打开了大门，突破了我们认为可能的极限"。HerzigSheinfux博士在ICFO做博士后期间与Koppens教授一起进行了这项研究。他打算利用这些空腔来观察以前认为不可能实现的量子效应，并进一步研究双曲声子极化子行为这一引人入胜的反直觉物理学。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1416529.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1416529.htm

量子显微镜利用"诡异"的物理学将图像分辨率提高一倍

量子显微镜利用"诡异"的物理学将图像分辨率提高一倍但是有一个问题。波长越短，能量越高，所以当达到这些尺度时，用于对样品进行成像的光子正在破坏甚至摧毁它们。但是，由于量子物理学的诡异特性，加州理工学院团队的量子显微镜解决了这个问题。纠缠是一种奇怪的现象，在这种现象中，两个或更多的粒子可以彼此纠缠在一起，以至于没有另一个粒子就无法描述。在这种情况下，科学家们将两个光子纠缠成一个单元，称为双光子，它的行为就像一个能量较低、波长为一半的单光子。"细胞不喜欢紫外线，"这项研究的首席研究员LihongWang说。"但如果我们能用400纳米的光给细胞成像，并达到200纳米光的效果，也就是紫外线，细胞就不会有什么意见，而且我们得到了紫外线的分辨率。"加州理工学院的量子显微镜示意图要做到这一点需要完成精心的光学设定。首先，激光穿过一种特殊的晶体，将一些光子转化为双光子。然后，这些纠缠在一起的光子对被分割开来，并被送入两条平行的路径--一个光子通过被成像的样品，而另一个则避开它。之后，这些光子被送到一个检测器，在那里可以分析数据并建立一个图像。该团队的实验表明，该技术可以在不破坏细胞的情况下对其进行成像，并且可以通过显微镜下的"眼睛测试"，即显示微米级的不同宽度的线条，以检查仪器对它们的区分程度。果然，量子显微镜技术表现出的分辨率是使用普通光子进行的"经典"测试的两倍。这比其他量子显微镜实验要好得多，这些实验只设法将分辨率提高了约35%。使用普通光子的"经典"（左）成像和使用纠缠双光子的"量子"（右）成像中的图像质量比较。研究小组说，一个缺点是，双光子的产生非常少--晶体在一百万个光子中会吐出大约一个双光子。值得庆幸的是，像这样的激光器在每个脉冲中产生的光子数量是惊人的。当然，仍有改进的余地。研究人员说，未来的工作可以将更多的光子纠缠在一起，每一个光子都会减少波长并提高分辨率。然而，那里的问题是，这也降低了每次纠缠的本已很低的概率。这项研究发表在《自然通讯》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1357951.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1357951.htm

光子精度：量子物理学家如何打破敏感度的界限

光子精度：量子物理学家如何打破敏感度的界限通过频率分辨采样测量它们在分束器上的干扰，研究小组表明，在目前的技术范围内可以达到前所未有的精度，估计的误差可以通过降低光子时间带宽进一步降低。这一突破对一系列应用有重大意义，包括对纳米结构（包括生物样本）和纳米材料表面进行更可行的成像，以及基于光网络中频率分辨玻色子采样的量子增强估计。这项研究是由朴茨茅斯大学的一个科学家团队进行的，由该大学的量子科学技术中心主任VincenzoTamma博士领导。Tamma博士说："我们的技术利用了当两个单光子撞击分光器的两个面，在分光器输出通道测量时无法区分时发生的量子干扰。如果在撞击分光器之前，一个光子由于穿过样品或被样品反射而在时间上相对于另一个光子有所延迟，那么人们可以通过探测分光器输出端光子的量子干扰来实时检索这种延迟的值，从而检索出样品的结构。当通过对两个光子的频率进行采样测量来解决这种双光子干扰时，可以实现对时间延迟的最佳测量精度。事实上，这确保了两个光子在检测器上保持完全不可区分，不管它们在输出端检测到的任何采样频率值的延迟如何。"该团队提出使用双光子干涉仪来测量两个光子在分束器处的干扰。然后，他们引入了一种基于频率分辨采样测量的技术，以自然界所允许的最佳精度来估计两个光子之间的时间延迟，并且在光子时间带宽减少的情况下，灵敏度越来越高。这一技术克服了以前的双光子干扰技术的局限性，没有在测量过程中检索到光子频率的信息。"它允许我们采用实验上可能的最短持续时间的光子，而不影响探测器上延时光子的可区分性，因此在显著减少所需光子对数量的情况下，最大限度地提高了延时估计的精度。这允许对给定的样品进行相对快速和有效的表征，为生物学和纳米工程的应用铺平道路。"这项突破性研究的应用是非常重要的。它有可能大大改善纳米结构的成像，包括生物样品和纳米材料表面。此外，它还可能导致在光网络中基于频率分辨的玻色子采样的量子增强估计。该研究的结果发表在《物理评论应用》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1358073.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1358073.htm