[论文解读] Light-matter interactions with photonic quasiparticles

Nicholas Rivera, Ido Kaminer|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2020

Strong Light-Matter Interactions参考文献 170被引用 11

一句话总结

本综述探讨了光子准粒子——如等离激元、声子极化激元和激子极化激元等兼具光与物质特性的混合激发态——如何通过在纳米尺度上调控光子色散关系、极化特性和局域化，实现强耦合且可调制的光-物质相互作用。其核心贡献在于将这些准粒子统一为一种新框架，以实现室温下的强耦合、超快的‘禁戒’跃迁以及基于切伦科夫效应的新型X射线光源。

ABSTRACT

Interactions between light and matter play an instrumental role in many fields of science, giving rise to important applications in spectroscopy, sensing, quantum information processing, and lasers. In most of these applications, light is considered in terms of electromagnetic plane waves that propagate at the speed of light in vacuum. As a result, light-matter interactions can usually be treated as very weak, and captured at the lowest order in quantum electrodynamics (QED). However, recent progress in coupling photons to material quasiparticles (e.g., plasmons, phonons, and excitons) forces us to generalize the way we picture the photon at the core of every light-matter interaction. In this new picture, the photon, now of partly matter-character, can have greatly different polarization and dispersion, and be confined to the scale of a few nanometers. Such photonic quasiparticles enable a wealth of light-matter interaction phenomena that could not have been observed before, both in interactions with bound electrons and with free electrons. This Review focuses on exciting theoretical and experimental developments in realizing new light-matter interactions with photonic quasiparticles. As just a few examples, we discuss how photonic quasiparticles enable room-temperature strong coupling, ultrafast "forbidden transitions" in atoms, and new applications of the Cherenkov effect, as well as breakthroughs in ultrafast electron microscopy and new concepts for compact X-ray sources.

研究动机与目标

• 通过超越自由空间光子，引入具有物质特性的光子准粒子，重新构想光-物质相互作用。
• 通过利用光子-准粒子混合态，克服传统量子电动力学中光-物质耦合微弱的局限性。
• 统一等离激元学、声子学与激子学领域在光子准粒子方面的理论与实验进展。
• 展示这些准粒子如何实现超快‘禁戒’跃迁与增强的切伦科夫辐射等新现象。
• 基于工程化光-物质耦合，提出在量子信息、超快显微成像与紧凑型X射线源方面的新型应用。

提出的方法

• 对光子与集体准粒子（等离激元、声子、激子）耦合的理论建模，形成具有修改后色散关系与极化特性的混合光子准粒子。
• 将量子电动力学（QED）形式化扩展至包含纳米结构材料中通过强耦合赋予光子物质特性的体系。
• 分析包含准粒子体系中非辐射与辐射衰变通道的光-物质相互作用哈密顿量。
• 应用有效介质理论与色散工程，调控二维与三维纳米结构中光子准粒子的特性。
• 对光子准粒子介质中切伦科夫辐射的数值与解析处理，以预测增强的发射与定向控制。
• 综述在二维材料、超材料与介电纳米结构中的实验实现，以验证理论预测。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有物质特性特征的光子准粒子与自由空间光子相比，如何改变光-物质相互作用的强度与本质？
• RQ2 能否通过光子准粒子实现室温下的强耦合？哪些材料可实现这一目标？
• RQ3 光子准粒子在实现原本‘禁戒’的原子跃迁实现超快跃迁中发挥何种作用？
• RQ4 光子准粒子如何增强或重构切伦科夫效应，以实现新型X射线产生机制？
• RQ5 光子准粒子对超快电子显微成像与紧凑型X射线源具有何种影响？

主要发现

• 光子准粒子通过混合模式增强真空拉比劈裂，实现了室温下的强光-物质耦合。
• 原子中的超快‘禁戒’跃迁得益于光子准粒子环境中巨大的偶极矩阵元与修改后的态密度。
• 由于工程化相速度与群速度匹配，光子准粒子介质中切伦科夫辐射得到增强并实现定向控制。
• 光子准粒子可实现亚波长尺度的光局域化（低至几纳米），从而构建纳米尺度光-物质相互作用平台。
• 基于电子束激发结构材料中的光子准粒子，提出了新型紧凑型桌面X射线源概念。
• 在二维过渡金属二硫属化物与超材料中的实验演示证实了强耦合与增强发射的可行性。