介电纳米光子晶格捕获原子并使它们相互作用的示意图

一个来自马克斯·普朗克量子光学研究所(MPQ)、加州理工（Caltech）、光子科学研究所的物理学家团队提出把纳米光子和超冷原子结合起来激发多体量子系统和创立新的物质状态。

在所谓的由交叉叠加激光束产生的光学晶格中的超冷原子已经被证明是一个用于激发和理解如固体晶体多体系统的行为——例如电或磁特性——最有前途的工具。

然而，在自由空间中实现起来有一些限制：如原子之间的距离(大约400nm)和短程相互作用等。现在包括Ignacio Cirac教授(MPQ)、 Jeff Kimble 教授（Caltech）所在的一组理论学家提出一个新的体系，把超冷原子物理和纳米光子的优势结合克服了这些限制。新体系的晶格常数比自由空间光子晶体的小了十倍，可以调节更远距离的相互作用。

这些学者利用纳米电介质-光子晶体的性质来研究如何捕捉原子使之互相靠得更近，同时使晶体中的这些原子通过一定的模型互相作用。结果发现体系的能量和相互作用都提高了，这使得探究新的量子多体物质的新形式成为可能。

最基本的想法是利用一个薄介质板，对其划分智能网格，在网格中通过打孔或者加入微型圆柱体来调节介质板的折射率使之具有周期性。通过学者们通过利用光子力和真空力，展示了如何使晶格常数到50 纳米，比光子晶体常数的小大概10倍。

“利用这些亚波长晶格，我们可以像在自由空间光晶格中一样研究量子多体现象，”Cirac教授理论小组的科学家Alejandro González-Tudela博士解释道，“但是我们提出方案的不同之处，也是优势所在就是原子距离更近。这样我们得到了更高的隧穿速率和更高的相互作用能来激发量子多体系统。同时这意味着我们可以放低对原子冷却条件的要求。”

但并不是只有小的晶格尺寸提供了研究新物理现象的可能性，二维介电层的几何形貌实现允许捕捉和引导掉入介电层的光子。所以一个进入的光子和一个原子剧烈反应，之后弹出。但是它并不会飞入空间：这个光子将通过波导传播，并找到另一个原子与之相互作用，之后再同下一个原子相互作用。

“我们分析表明我们应该可以实现原子间的相互作用，这种相互作用机理并不是如自由空间光学晶格中那样通过原子跳跃相互作用，而是通过交换光子相互作用。”Alejandro González-Tudela说道，“结果表明，这个原子聚集组成的二维固体并不是通过通常意义上声子相互作用，而是通过光子。这暗示着通过‘设定’相互作用的力量和范围的能力，我们可以定性地研究光子相互作用这一新领域。我们将可以接触到一系列丰富的现象，包括量子磁性或者光子调节的自旋相互作用”

新材料在线编译整理——翻译：赵欢    校正：摩天轮