光與(yu) 物質之間的相互作用涵蓋了一係列令人驚歎的現象，從(cong) 光合作用到彩虹和蝴蝶翅膀的迷人色彩。盡管這些表現形式多種多樣，但它們(men) 涉及的光與(yu) 物質耦合強度非常弱。本質上，光與(yu) 物質係統相互作用，但不會(hui) 改變其基本屬性。

然而，對於(yu) 經過人工設計以最大化光物質耦合的係統，會(hui) 出現一組截然不同的現象。增強光與(yu) 物質相互作用的強度後，會(hui) 出現有趣的量子態，它們(men) 既不是光也不是物質，而是兩(liang) 者的混合體(ti) 。無論是從(cong) 基礎物理研究還是從(cong) 器件應用的角度看，這種狀態都具有很高的意義(yi) ，例如用於(yu) 實現光子之間的相互作用。

增強光與(yu) 物質之間的耦合強度，不僅(jin) 有望大大提升光學傳(chuan) 感的靈敏度和準確性，極大的減小光探測器、光傳(chuan) 感器、光子芯片等光學器件的尺寸，提升光學元件的可集成性和便攜性，同時有望發現諸如強光學非線性效應等新穎的物理現象。因此，長久以來，增強光與(yu) 物質之間相互作用的強度一直是現代光學研究的核心問題。

隨著近年來材料微納加工工藝的進步和新型電磁材料（如二維材料、超材料、超表麵、光子晶體(ti) 等）的出現，現代光學可以通過新型光學材料和結構，將光束縛在亞(ya) 波長尺度，極大地增強光與(yu) 物質相互作用的耦合強度。然而，光與(yu) 物質相互作用的強度究竟有無物理學意義(yi) 上的極限，迄今尚沒有統一的定論和答案，這也成為(wei) 學術界一直以來懸而未決(jue) 的重大問題之一。

鑒於(yu) 此，來自瑞士蘇黎世聯邦理工大學與(yu) 英國南安普頓大學的研究人員合作，以“Polaritonic nonlocality in light–matter interaction”為(wei) 題在 Nature Photonics發表文章，報道了他們(men) 在開口環型諧振極化激元係統中所發現的光與(yu) 物質耦合新極限。

圖1：用三維顏色圖表示的開口環型諧振器超表麵的仿真電場分布圖。圖中高動量的磁性等離激元（藍色球體(ti) ）導致了極化激元的崩潰（紅色的光子）

該團隊證明：如果電磁場集中在越來越小的體(ti) 積中，那麽(me) 在某個(ge) 時刻，光與(yu) 物質混合態（極化子）的本質開始發生變化。極化特征的這種根本變化反過來又阻止了耦合強度的進一步增加。

這種限製不是一些遙遠的場景，在最先進的納米光子器件中，已經遇到了這種範式變化的特征，隻是對根本原因還沒有確切的認識，這個(ge) 空白現在由該成果填補。此外，他們(men) 新開發的框架可能不僅(jin) 適用於(yu) 他們(men) 研究的特定設備，還適用於(yu) 其他納米光學係統，例如基於(yu) 石墨烯或過渡金屬二硫屬化物 (TMD) 的係統，以及除開口環型諧振器以外的幾何結構諧振器。因此，新工作應該為(wei) 光物質耦合提供一般定量的極限值。

為(wei) 了通過減少光被限製在的亞(ya) 波長體(ti) 積來探索增加光物質耦合的束縛性，該團隊開發了一個(ge) 理論框架，他們(men) 通過實驗和計算機模擬測試了其預測。

一個(ge) 關(guan) 鍵發現是：研究人員在他們(men) 實驗室用的開口環型諧振器250nm的間隙中，探測到了強烈的非局域效應。

這是因為(wei) 在臨(lin) 界長度尺度以下，由於(yu) 提供了大的載流子麵內(nei) 動量，諧振器中緊密限製的光場，不僅(jin) 限製了量子阱的電子態，而且限製了源自量子阱中已知二維等離子體(ti) 色散的連續高動量激發。這開辟了新的損耗通道，最終從(cong) 根本上改變了光和物質在這些納米光子器件中的相互作用方式。

古人雲(yun) ：“誌之所趨，無遠弗屆。窮山距海，不能限也”。這不是人們(men) 首次探索光與(yu) 物質相互作用的極限，最著名的是阿貝衍射極限（名詞解釋>）。納米光子學是一個(ge) 非常活躍和成功的研究領域，科學家們(men) 正在研究突破阿貝極限的不同方法。下一步，將是使用一些獨創性並尋找新的方法來限製光，繞過阿貝極限和剛剛發現的極限。

論文信息：

Rajabali, S., Cortese, E., Beck, M. et al. Polaritonic nonlocality in light–matter interaction. Nat. Photon. 15, 690–695 (2021)

https://doi.org/10.1038/s41566-021-00854-3