研究人員利用納米結構來消除光雜訊

荷蘭特溫特大學的科學家們對利用納米結構控制光方面有了新見解。他們第一次發現了無所不在的光雜訊的大小與任意納米結構的尺寸之間的關係，以及如何達到零雜訊的理想極限。他們的理論為目前正在製造的片上器件（包括激光器，發光二極體，太陽能電池和量子計算機）提供設計規則。 特溫特大學的該成果論文將在6月份出版在世界領先的物理學期刊Physical Review Letters（預印本: "Finite-size scaling of the density of states in photonic band gap crystals"）中。

大家都知道，如果晚上在封閉的房間里關掉所有的燈，就會產生黑暗環境。然而令人奇怪的是，量子力學的定律表明，沒有空間永遠是黑暗的 - 即使是最黑暗的地窖或櫥櫃 - 也存在無所不在的光波動，也就是真空波動或光雜訊。儘管肉眼看不見，光雜訊很容易被原子檢測到。事實上，原子被光雜訊所擾動，以至於它們不會保持在它們的激發態能量狀態，而是迅速下降到低能量狀態，同時輻射光量子 – 即眾所周知的光子。原子每秒發射的光子數 - 換句話說，源發射的功率 - 與光雜訊成正比。

圖1.自由空間中有限光子晶體納米結構的動態示意圖。光子晶體由半導體材料（例如，硅，圖中所示為灰色）上周期性排布的孔組成，所示半導體材料在特溫特大學製作。外圍自由空間中的光雜訊顯示為紅色小波。對於一定光譜範圍的光（稱為光子帶隙），光雜訊被禁止進入晶體，從而導致強烈的黑暗！特溫特大學解決的問題是：在使納米結構越來越大的同時，納米結構達到絕對黑暗的速度有多快？（圖片來源：特溫特大學）

據預測，在被稱為光子晶體的納米結構中可以完全消除光雜訊。因此，在這樣一個周期性的納米結構中，內部是絕對黑暗的，甚至比最黑暗的地窖還要暗！然而，先前的理論認為，周期性結構必須在整個宇宙中無限期地重複以擁有這種非凡的性質。自然條件下，真正的納米結構是有限的。因此，在真實晶體內部，它不是絕對的黑暗，並且嵌入的激發原子不會永遠保持激發態。因此，自然的問題就出現了：通過使納米結構越來越大，達到絕對黑暗的速度有多快？

到目前為止，人們知道真實有限晶體內一個位置的光雜訊以指數方式接近無限小的極限。換句話說，如果某種晶體具有兩倍抑制的雜訊，則兩倍大的晶體具有四倍抑制的雜訊。然而，在許多實際情況下，如激光器，發光二極體，太陽能電池，我們並不關心一個地方的一個原子，而是關心很多地方的許多原子。因此，工程師對納米結構內部的平均光雜訊感興趣，以及平均雜訊的大小與尺寸的關係。通過在晶體中的許多點計算平均雜訊是非常困難的。因此，需要一種新的方法。

圖2.與納米結構尺寸呈反比例函數關係的光雜訊。對於3D光子晶體納米結構的情況，紅色數據點是用新理論計算得出的。藍色實線是一條擬合數據點的直線。（圖片來源：特溫特大學）

特溫特大學MESA +納米技術研究所的科學家們通過開發一種理論來解決長期存在的問題（自20世紀80年代以來），該理論描述了光雜訊作為晶體尺寸的函數，是如何被抑制的。他們複雜分析的結果出奇的簡單 - 光雜訊的密度與晶體的線性範圍成反比（見圖2），比普遍預期的指數下降要慢得多。 Ad Lagendijk教授指出：「令人驚訝的是，這條絕對黑暗的直線路徑普遍適用於包括三維的，二維（如在板中的周期性納米棒陣列或納米孔陣列）或者甚至一維（對於周期的疊層）的納米結構。我們的發現有助於光子工程師設計適當尺寸的納米結構以實現所需的功能。」

特溫特大學的研究揭示的第二個新發現是，真實和有限的納米結構內的光雜訊基本上集中在外表面附近。「這意味著我們應該將原子充分遠離表面以從完美的情況中獲益，這是一種你通常不會遇到的有利情況，」Lagendijk笑著說。至於他們發現的應用，Lagendijk熱情洋溢地說：「光子納米結構在許多器件中都有應用，比如片上微型激光器，我們在飛利浦照明公司的合作者提供的發光二極體，或者光伏電池。在熱追蹤的量子比特的情況下：它們也受到光雜訊的影響，因此將它們放置在光子納米結構中有助於改善量子計算機。」

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