人造磁场中的大量光子

2019-11-15 15:40

来自波兰、英国和俄罗斯的国际研究合作创建了一个二维系统，在其中捕获了光子。该系统是一个充满液晶的薄光学腔，并通过外部电压进行了修改，该外部电压使光子在人造磁场的影响下像具有被称为“自旋”的磁矩的块状准粒子一样运转。

我们周围的世界具有一个时域和三个空间维度。长期以来，研究凝聚态的物理学家一直在研究低维系统－二维（2D）量子阱，一维（1D）量子线和零维（0D）量子点。2D系统已发现了最广泛的技术应用－由于尺寸减小，有效的LED和激光二极管，集成电路中的快速晶体管以及WiFi无线电放大器可以工作。二维中的俘获电子的行为可能与自由电子完全不同。例如，在具有蜂窝对称性的二维碳结构的石墨烯中，电子的行为就像无质量的物体，即称为光子的轻粒子。

晶体中的电子彼此相互作用，并与晶格相互作用，从而形成了一个复杂的系统，由于引入了所谓的准粒子的概念，其描述成为可能。这些准粒子的性质，包括电荷，磁矩和质量，取决于晶体的对称性及其空间尺寸。物理学家可以创建尺寸减小的材料，发现充满奇异准粒子的“准宇宙”。二维石墨烯中的无质量电子就是这样的例子。

这些发现启发了华沙大学，波兰军事技术大学，波兰科学院物理研究所，南安普敦大学和莫斯科附近的斯科尔科沃研究所的研究人员，以研究陷于二维结构中的光－光学空腔。研究人员用一种充当光学介质的液晶材料填充了空腔。在外部电压的影响下，这种介质的分子可以旋转并改变光程长度。因此，可以在空腔中产生驻波，当电场穿过分子时，驻波的能量是不同的，并且沿其轴的极化也不同，这种现象称为光学各向异性。

人造磁场中的大量光子

图片来源：华沙大学

在华沙大学进行的研究中，被捕获的光子的行为类似于带有质量的准粒子。尽管以前已经观察到这种准粒子，但是由于光不会对电场或磁场起反应，因此一直以来难以操纵。研究人员指出，在这种情况下，液晶的光学各向异性发生了变化，被捕获的光子的行为就像在人工磁场中具有自旋的准粒子一样。电磁波的极化起着光在空腔中自旋的作用。

研究人员使用电子在凝聚态中的行为的类比描述了该系统中光的行为。描述陷在腔中的光子运动的方程类似于电子自旋的运动方程。研究人员发现，有可能建立一个完美模仿电子特性并导致许多令人惊讶的物理效应（例如光的拓扑状态）的光子系统。

与光学各向异性腔中的光俘获有关的新现象的发现可以带来新的光电装置技术，例如执行神经形态计算的光学神经网络。特别有希望创造一种独特的物质量子态－玻色爱因斯坦凝聚物。这种冷凝物可用于量子计算和模拟，能够解决现代计算机难以解决的问题。