新突破 光子和声子结合新途径

文|陈根

声子(Phonon)是一种非真实的准粒子,用来描述晶体原子热振动——晶格振动规律的一种能量量子;光量子,简称光子(photon),是传递电磁相互作用的基本粒子,是一种规范玻色子。声子和光子在物理学中十分重要。

近日,纽约城市学院的研究团队开发出一种新方法,第一次将光子和声子相结合,并以稳健和可控的方式控制它们的传播。

研究人员将螺旋光子与六方氮化硼中的晶格振动耦合,创造了一种新的混合物质,称为声子—极化激元(phonon-polaritons)。该物质一半是光,一半是振动。由于红外光和晶格振动与热有关,因此产生光和热一起传播的新通道。

这项研究还利用了拓扑光子学。拓扑光子学,即突破了传统基于实空间光场叠加原理和倒空间固体能带色散理论的光场调控思想,提供了一种新颖的光场调控机制和丰富的输运和光操控性质。例如,背散射抑制且缺陷免疫的边界输运特性、自旋轨道依赖的选择传输特性、高维度的光场调控等。

拓扑特性赋予了光子以螺旋性,当光子在传播过程中旋转时,产生了独特的特性,如对缺陷的鲁棒性和沿拓扑不同材料之间界面的单向传播。由于与晶体中的振动相互作用,这些螺旋状的光子随后可以被用来引导红外光与振动。因此,这项研究也为振动光谱学研究提供了道路。

值得一提的是,随着声子-极化子的传播,振动也随着电场的旋转而旋转。这是一种完全新颖的引导和旋转晶格振动的方式,使它们成为螺旋状。新方法还可以实现定向辐射热传递,期间热量通过电磁波散失。

未来,或可以为这种形式的混合光和物质激发创建任意形状的通道,以便在创建的二维材料中进行引导。目前,相关研究“Topological phonon-polariton funneling in midinfrared metasurfaces”,已发表在Science上。

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