世界上最轻的镜子：物理学家仅用几百个原子构成的光学镜

研究人员展示了一种新颖的光-物质界面，实现了由200个原子的单分子层形成的最轻的镜面。来源：马克斯·普朗克研究所

物理学家成功地设计了仅由数百个原子组成的光学镜。它是世界上最轻的，甚至是可以想象的。

马克斯·普朗克量子光学研究所（MPQ）的物理学家设计了可想象的最轻的光学镜。新型超材料由仅包含数百个相同原子的单个结构化层组成。原子排列在通过干涉激光束形成的光学晶格的二维阵列中。该研究结果是在最近才出现的具有序原子的亚波长量子光学新领域中此类实验的首次观察。到目前为止，镜子是唯一的镜子。结果发表在2020年7月15日的《自然》杂志上。

通常，镜子利用高度抛光的金属表面或经过特殊涂层的光学玻璃来提高重量更轻的性能。但是，MPQ的物理学家现在首次证明，即使只有数百个原子的单个结构化层也可以形成光学镜，使其成为最轻巧的镜面。新的镜子只有几十纳米，比头发的宽度薄一千倍。但是，反射是如此强烈，甚至可以用纯正的人眼察觉到。

镜子后面的机制

镜子与以二维阵列排列的相同原子一起工作。它们以规则的图案排列，间距小于原子的光学跃迁波长，这是超材料的典型特征和必要特征。超材料是人为设计的结构，具有非常特殊的特性，而这种特性很少能自然发现。它们不是从其制造的材料而是从其设计的特定结构中获得其特性。特征-规则的图案和亚波长间隔-以及它们之间的相互作用是这种新型光学镜背后的两个关键工作。首先，原子的规则图案和亚波长间隔都抑制了光的散射，从而将反射束缚在一个单向且稳定的光束中。其次，由于原子之间的距离相对较近且离散，因此入射光子在被反射之前可以在原子之间来回反弹不止一次。两种效果，抑制的光散射和光子的反弹。

该论文的两位第一作者Jun Rui和David Wei在他们复杂的实验装置之前，该装置在人心中看不到人眼可以看到的最轻的镜子-由原子构成的镜子。来源：马克斯·普朗克研究所

通往更高效量子设备的方式的进步

镜子本身的直径约为7微米，非常小，以至于远远超出视觉识别范围。但是，在其中创建设备的设备非常庞大。它与其他量子光学实验完全一样，可计数上千个单一光学组件，重约两吨。因此，新颖的材料几乎不会影响人们日常使用的商品镜。另一端的科学影响可能是深远的。

“结果对我们来说非常令人兴奋。就像在典型的稀疏整体中一样，在我们的系统中起着至关重要作用的原子之间的光子介导的相关性通常在传统的量子光学理论中被忽略。另一方面，主要通过将超冷原子加载到光学晶格中形成的原子有序阵列来研究凝聚态模型的量子模拟。但是，它现在也成为研究新的量子光学现象的强大平台。”博士后研究员，论文的第一作者Jun Rui解释说。

沿着这个故事情节进行进一步的研究可以加深对光物质相互作用的量子理论，光学光子的多体物理学的基本理解，并使更高效的量子器件得以工程化。

“许多新的令人兴奋的机会已经打开，例如研究量子光力学的一种有趣方法，这是一个使用机械设备研究光的量子本质的领域。或者，我们的工作也可能有助于创建更好的量子存储器，甚至可以建立量子可切换的光学镜。”博士研究员兼第二作者David Wei补充道。“这两项都是量子信息处理方面有趣的进步。”

参考：“由单个结构化原子层形成的亚辐射光学镜”，君·瑞，戴维·韦，安东尼奥·卢比奥·阿巴达尔，西蒙·霍勒里斯，约翰内斯·蔡尔，丹·桑普·库恩，克里斯蒂安·格罗斯和伊曼纽尔·布洛赫，2020年7月15日，大自然。