纳米级光学技术的突破开启量子世界的更多可能性

纳米级光学技术的突破开启量子世界的更多可能性传统上，超越常规衍射极限的光定位主要依靠两种方法：介质约束和等离子体约束。然而，精密制造和光学损耗等挑战阻碍了将光场限制在10纳米以下甚至1纳米的水平。现在，7月7日《先进光子学》（AdvancedPhotonics）杂志详细介绍了一种新型波导方案，它将利用亚纳米级光场的潜力。以纳米狭缝模式产生亚纳米封闭光场的波导方案。(a)CNP波导方案示意图。(b)纳米狭缝模式横截面场强分布的三维图。资料来源：Yang、Zhou等人，doi10.1117/1.AP.5.4.046003请看这样一个场景：来自标准光纤的光进行了一次转换之旅。它穿过光纤锥，到达耦合纳米线对（CNP）中的最终目的地。在这里，光线转变为一种独特的纳米狭缝模式，形成一个微小到几分之一纳米（约0.3纳米）的封闭光场。令人惊叹的是，这种创新方法的效率高达95%，峰值与背景的比率也很高，从而带来了一系列机遇。突破性的波导方案将其范围扩大到了中红外光谱范围，进一步拓展了纳米宇宙的极限。光学约束现在可以达到约0.2纳米（λ/20000）的非凡尺度，这为探索和发现开辟了更多途径。浙江大学纳米光子学研究组的童利民教授指出："与以往的方法不同，波导方案呈现为线性光学系统，带来了一系列优势。它可以实现宽带和超快脉冲操作，并允许多个亚纳米级光场的组合。在单个输出中设计空间、光谱和时间序列的能力带来了无限的可能性"。这些突破的潜在应用确实令人叹为观止。光场如此局部化，以至于可以与单个分子或原子相互作用，为光-物质相互作用、超分辨率纳米镜、原子/分子操纵和超灵敏检测等领域的发展提供了可能。我们即将迎来一个新的发现时代，存在的最微小的领域现在已经触手可及。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1371747.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1371747.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

超导光机械研究迎来突破：机械振荡器技术的量子飞跃

超导光机械研究迎来突破：机械振荡器技术的量子飞跃超导机电系统的扫描电子显微镜图像。资料来源：AmirYoussefi（EPFL）过去十年来，科学家们在机械系统中产生量子现象方面取得了巨大进步。十五年前看似不可能的事情如今已成为现实，因为研究人员成功地在宏观机械物体中产生了量子态。通过将这些机械振荡器与光子（被称为"光机械系统"）耦合，科学家们已经能够将它们冷却到接近量子极限的最低能级。他们还设法"挤压"它们，进一步降低它们的振动，并使它们相互缠结。这些进步为量子传感、量子计算中的紧凑存储、量子引力的基本测试，甚至暗物质的寻找带来了新的机遇。操作光机械系统的困境为了在量子体系中有效地运行光机械系统，科学家们面临着两难选择。一方面，机械振荡器必须与环境适当隔离，以尽量减少能量损耗；另一方面，它们必须与其他物理系统（如电磁谐振器）良好耦合，以便对其进行控制。要实现这一平衡，就必须最大限度地延长振荡器的量子态寿命，而这一寿命会受到环境热波动和振荡器频率不稳定性的影响，即该领域所称的"退相干"。从引力波探测器中使用的巨型反射镜到高真空中的微小被困粒子，这在各种系统中都是一个长期存在的挑战。与超导量子比特或离子阱等其他技术相比，当今的光机电系统仍然显示出较高的退相干率。EPFL的突破：超低量子退相干现在，洛桑联邦理工学院托比亚斯-基彭伯格实验室的科学家们通过开发一种超导电路光机电平台解决了这一问题，该平台在保持大的光机电耦合的同时显示出超低量子退相干，从而实现了高保真量子控制。这项研究成果于8月10日发表在《自然-物理》杂志上。领导该项目的博士生阿米尔-尤塞菲（AmirYoussefi）说："简单地说，我们展示了有史以来在机械振荡器中实现的最长量子态寿命，它可用作量子计算和通信系统中的量子存储元件。这是一项重大成就，影响着量子物理学、电子工程和机械工程领域的众多受众。"关键要素：真空间隙鼓头电容器这项突破的关键要素是"真空间隙鼓头电容器"，这是一种由悬浮在硅基板沟槽上的铝薄膜制成的振动元件。该电容器是振荡器的振动元件，同时也构成了一个谐振微波电路。通过一种新颖的纳米制造技术，研究小组大大降低了鼓头谐振器的机械损耗，实现了前所未有的热退相干速率，仅为20赫兹，相当于7.7毫秒的量子态寿命--这是机械振荡器中实现的最长寿命。结果和意义热诱导退相干的显著降低使研究人员能够使用光机械冷却技术，从而使量子态在基态占据的保真度达到令人印象深刻的93%。此外，研究小组还实现了低于运动零点波动的机械挤压，其值为-2.7dB。"这种控制水平使我们能够观察到机械挤压态的自由演化，并在2毫秒的较长时间内保持其量子行为，这要归功于机械振荡器中仅为0.09Hz的超低纯去相率，"参与研究的ShingoKono说。"这种超低量子退相干不仅提高了宏观机械系统量子控制和测量的保真度，而且同样有利于与超导量子比特的对接，并将系统置于适合量子引力测试的参数体系中，"研究团队的另一位成员马赫迪-切格尼扎德（MahdiChegnizadeh）说，"与超导量子比特相比，该平台的存储时间要长得多，因此是量子存储应用的理想候选者。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1376919.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1376919.htm

量子幽灵：原子对某些频率的光变得透明了

量子幽灵：原子对某些频率的光变得透明了艺术家对激光冲击光腔中的原子的可视化描述。科学家们发现了一种被称为"集体诱导透明"（CIT）的新现象，即原子组在某些频率下停止反射光线。该研究小组通过将镱原子限制在一个光腔中并将它们暴露在激光下发现了这种效果。在某些频率下，出现了一个透明的窗口，光可以不受阻碍地绕过腔体。资料来源：EllaMaru工作室"我们从来不知道这种透明窗的存在，"加州理工学院的安德烈-法拉昂（BS'04）说，他是威廉-L-瓦伦丁应用物理和电子工程教授，也是4月26日发表在《自然》杂志上的有关这一发现的论文的共同通讯作者。"我们的研究主要成为一个寻找原因的旅程"。对透明窗的分析指出，它是腔体中原子组和光之间相互作用的结果。这种现象类似于破坏性干扰，即来自两个或更多来源的波可以相互抵消。原子组不断地吸收和重新发射光，这通常会导致激光的反射。然而，在CIT频率下，从一个组中的每个原子重新发射的光会产生一个平衡，导致反射率下降。共同主要作者、加州理工学院的研究生MiLei说："一个强烈耦合到同一光场的原子集合体可以导致意想不到的结果。"该光学谐振器的长度仅为20微米，包括小于1微米的特征，是在加州理工学院的Kavli纳米科学研究所制造的。"通过传统的量子光学测量技术，我们发现我们的系统已经达到了一个未曾探索过的体系，揭示了新的物理学，"该论文的共同第一作者，研究生RikutoFukumori说。除了透明现象，研究人员还观察到，与单个原子相比，原子集合可以更快地吸收和发射激光，或者更慢，这取决于激光的强度。这些过程被称为超辐射和亚辐射，由于有大量的相互作用的量子粒子，它们的基本物理学仍然不为人所知。共同通讯作者JoonheeChoi说："我们能够监测和控制纳米级的量子力学光-物质相互作用，"他曾是加州理工学院的博士后学者，现在是斯坦福大学的助理教授。尽管这项研究主要是基础性的，并扩大了我们对神秘的量子效应世界的理解，但这项发现有可能在某一天帮助铺平道路，使信息存储在强耦合原子的集合体中，从而实现更高效的量子记忆。法拉昂还致力于通过操纵多个钒原子的相互作用来创造量子存储。物理学教授和罗森伯格学者曼努埃尔-恩德雷斯说："除了记忆，这些实验系统提供了关于开发未来量子计算机之间的连接的重要见解。"他是该研究的共同作者。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1357653.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1357653.htm

科学家运用太赫兹技术开启量子传感之门

科学家运用太赫兹技术开启量子传感之门图为莱斯大学新兴量子和超快材料实验室研究生徐睿制作的三个超快太赫兹场聚光器样品。底层（白色正方形可见）由钛酸锶制成，其表面图案为聚光器结构--可集中太赫兹频率红外光的微观同心圆阵列。这些阵列在显微镜下清晰可见（插图），但用肉眼观察时，就像细粒度的点状图案。图片来源：GustavoRaskosky拍摄/RuiXu/莱斯大学添加插图识别光谱中的差距莱斯大学三年级博士生、最近发表在《先进材料》（AdvancedMaterials）杂志上的一篇文章的第一作者徐睿说："中红外光和远红外光存在明显的差距，大约在5-15太赫兹的频率和20-60微米的波长范围内，与较高的光学频率和较低的无线电频率相比，目前还没有很好的商业产品。"这项研究是在威廉-马什-莱斯讲座教授、材料科学与纳米工程助理教授朱涵宇（HanyuZhu）的新兴量子与超快材料实验室进行的。量子准电透镜（截面图），可聚焦频率为5-15太赫兹的光脉冲。传入的太赫兹光脉冲（红色，左上角）通过钛酸锶（蓝色）基底上的环形聚合物光栅和圆盘谐振器（灰色）转换成表面声子-极化子（黄色三角形）。黄色三角形的宽度表示声子-极化子在到达用于聚焦和增强出射光的圆盘谐振器（右上角红色）之前，通过每个光栅间隔传播时电场的增加。左下方的钛酸锶分子原子结构模型描述了声子-极化子振荡模式中钛（蓝色）、氧（红色）和锶（绿色）原子的运动。图片来源：Zhu实验室/莱斯大学提供太赫兹间隙的重要性和挑战Zhu说："这一频率区域的光学技术--有时被称为'新太赫兹间隙'，因为它远比0.3-30太赫兹'间隙'中的其他频率区域更难以接近--对于研究和开发用于接近室温的量子电子学的量子材料，以及感知生物分子中的功能基团以进行医学诊断，可能非常有用。"研究人员面临的挑战一直是找到合适的材料来承载和处理"新太赫兹间隙"中的光。这种光会与大多数材料的原子结构产生强烈的相互作用，并很快被它们吸收。莱斯大学材料科学与纳米工程系学生RuiXu是一项研究的第一作者，该研究表明钛酸锶有可能在3-19太赫兹频率下实现高效光子设备。图片来源：GustavoRaskosky拍摄/莱斯大学钛酸锶和量子顺电性Zhu的研究小组利用钛酸锶（一种锶和钛的氧化物）将强相互作用转化为优势。Xu说："它的原子与太赫兹光的耦合如此强烈，以至于形成了被称为声子-极化子的新粒子，这些粒子被限制在材料表面，不会在材料内部消失。"其他材料支持更高频率的声子-极化子，而且通常支持的范围很窄，而钛酸锶则不同，它支持整个5-15太赫兹间隙的声子-极化子，这是因为钛酸锶具有一种称为量子顺电性的特性。钛酸锶的原子表现出巨大的量子波动和随机振动，因此能有效捕捉光线，而不会被捕捉到的光线自我捕获，即使在零开尔文温度下也是如此。"我们通过设计和制造超快场聚光器，证明了钛酸锶声子-极化子器件在7-13太赫兹频率范围内的概念，"Xu说。"这种器件能将光脉冲挤压到小于光波长的体积内，并保持较短的持续时间。因此，我们实现了每米近千兆伏的强瞬态电场。HanyuZhu是莱斯大学威廉-马什-莱斯讲座教授兼材料科学与纳米工程助理教授。图片来源：JeffFitlow摄影/莱斯大学未来影响与应用电场是如此之强，以至于它可以用来改变材料的结构，从而产生新的电子特性，或者从微量的特定分子中产生新的非线性光学响应，这种响应可以用普通的光学显微镜检测到。Zhu说，他的研究小组开发的设计和制造方法适用于许多市售材料，可以实现3-19太赫兹范围内的光子设备。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1378127.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1378127.htm

揭开纳米级奇迹的面纱：碳基量子技术

揭开纳米级奇迹的面纱：碳基量子技术Empa研究人员及其国际合作者成功地将碳纳米管电极连接到单个原子级精确纳米带上。资料来源：Empa要实现这些优势，我们需要所谓的量子材料，它们能显示出显著的量子物理效应。石墨烯就是这样一种材料。这种碳的二维结构形式具有不同寻常的物理特性，例如超高的拉伸强度、导热性和导电性，以及某些量子效应。进一步限制这种已经是二维的材料，例如使其具有带状形状，就会产生一系列可控的量子效应。这正是MickaelPerrin团队在工作中所利用的：几年来，在MichelCalame的领导下，Empa纳米界面传输实验室的科学家们一直在开展石墨烯纳米带的研究。Perrin解释说："石墨烯纳米带甚至比石墨烯本身更令人着迷。通过改变石墨烯纳米带的长度和宽度、边缘形状以及添加其他原子，可以赋予它们各种电学、磁学和光学特性"。纳米带的特性因其宽度和边缘形状而异。资料来源：Empa极致精确--精确到单个原子研究前景广阔的纳米带并非易事。纳米带越窄，其量子特性就越明显，但同时也更难同时获得单个纳米带。要了解这种量子材料的独特特性和可能的应用，并将它们与集体效应区分开来，就必须这样做。在最近发表在《自然-电子学》（NatureElectronics）杂志上的一项新研究中，Perrin和Empa研究员张健以及一个国际团队首次成功地接触到了单个长的、原子精度高的石墨烯纳米带。张建说："仅有9个碳原子宽的石墨烯纳米带宽度仅为1纳米。为了确保只接触到一条纳米带，研究人员采用了类似尺寸的电极：他们使用的碳纳米管直径也只有1纳米。"对于如此精细的实验来说，精度是关键。首先是源材料。研究人员通过与RomanFasel领导的Empa'snanotech@Surfaces实验室的长期紧密合作，获得了石墨烯纳米带。"RomanFasel和他的团队长期从事石墨烯纳米带的研究工作，可以从单个前驱体分子中以原子精度合成多种不同类型的石墨烯纳米带，"Perrin解释说。前驱体分子来自位于美因茨的马克斯-普朗克聚合物研究所。正如推动技术进步通常所要求的那样，跨学科是关键，不同的国际研究小组都参与其中，各自发挥专长：碳纳米管是由北京大学的一个研究小组培育出来的，为了解释研究结果，Empa的研究人员与华威大学的计算科学家进行了合作。具有原子级精确边缘的极窄带表现出强烈的量子效应，令研究人员特别感兴趣。资料来源：Empa用纳米管接触单个碳带给研究人员带来了巨大的挑战。张解释说："碳纳米管和石墨烯纳米带分别生长在不同的基底上。首先，纳米管需要转移到设备基底上，并与金属电极接触。然后，我们用高分辨率电子束光刻技术对其进行切割，将其分成两个电极。最后，我们将纳米带转移到同一基板上。精度是关键：即使是基板最轻微的旋转也会大大降低成功接触的概率。能够使用位于吕施里孔的IBM研究院宾尼格和罗赫尔纳米技术中心的高质量基础设施，对于测试和实施这项技术至关重要。"从计算机到能量转换器科学家们通过电荷传输测量确认了实验的成功。由于量子效应通常在低温下更为明显，因此我们在接近绝对零度的高真空环境下进行了测量。但他很快又补充了石墨烯纳米带的另一个特别有前景的特性："由于这些纳米带的尺寸极小，我们预计它们的量子效应将非常强大，甚至在室温下也能观察到。"这位研究人员说，这将使我们能够设计和运行主动利用量子效应的芯片，而无需复杂的冷却基础设施。参与该项目的华威大学教授HatefSadeghi补充说："这个项目能够实现单个纳米带器件，不仅可以研究基本量子效应，如电子和声子在纳米尺度上的行为方式，还可以利用这种效应在量子开关、量子传感和量子能量转换等方面进行应用。"石墨烯纳米带尚未准备好投入商业应用，仍有许多研究工作要做。在后续研究中，张和Perrin的目标是在单个纳米带上操纵不同的量子态。此外，他们还计划在串联的两条纳米带的基础上创建设备，形成所谓的双量子点。这样的电路可以作为量子计算机中最小的信息单位--量子比特。此外，Perrin最近还获得了欧洲研究理事会（ERC）的启动资助（StartingGrant）和瑞士国家科学基金会（SNSF）的教授奖学金（SccellenzaProfessorialFellowship），他计划将纳米带用作高效能源转换器。在苏黎世联邦理工学院的就职演讲中，他描绘了这样一个世界：我们可以利用温差发电，同时几乎不会损失任何热能--这将是一个真正的质的飞跃。国际合作多个研究小组为该项目做出了重要贡献。石墨烯纳米带是由RomanFasel领导的Empa纳米技术@表面实验室根据美因茨马克斯-普朗克聚合物研究所的KlausMüllen团队提供的前体分子生长出来的。这些纳米带由MichelCalame领导的Empa纳米级界面传输实验室的成员集成到纳米加工设备中，MickaelPerrin的研究小组也在其中。这项特殊研究所需的精确排列的高质量碳纳米管由北京大学张进研究小组提供。最后，为了解释研究结果，Empa的研究人员在HatefSadeghi的指导下，与华威大学的计算科学家进行了合作。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1386665.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1386665.htm