《物理评论快报》（Physical ReviewLetters）日前在线刊发了华中科技大学物理学院陈学文教授团队题为《具有1 nm3模场体积的明亮光学本征模式》（Bright Optical Eigenmode of 1 nm3Mode Volume,Phys. Rev. Lett.126, 257401 (2021)）的研究论文。我校为论文唯一单位，论文作者包括李莞聪(物理学院18级博士生)、周强（物理学院19级博士生）、张朴和陈学文，其中陈学文教授和张朴副教授为论文共同通讯作者。
光场可被压缩到多小的空间范围内，光场可否像电子那样以近乎“点”的体积存在？光场局域问题是光物理的基本问题之一。从应用层面看，现代光子技术大都依赖于光与物质的相互作用，高度局域化的光场能够极大地增强光与物质相互作用的强度与效率，进而产生新的物理效应和技术革新。因此针对光场局域特性的研究同时具有重要的基础科学意义和技术应用前景。的确，纳米光学过去二十多年蓬勃发展的驱动力就源于此。人们利用金属纳米结构中的自由电子在光场作用下发生集群运动形成等离激元共振，突破光衍射极限，经过多年的努力实现了将光场能量限制到横截面直径10nm左右的空间尺度（约对应1000纳米立方体积）。最近几年来，随着纳米加工和操控技术的进步，1nm甚至更精细的金属结构可被成功制备，科学家们在针尖拉曼散射、荧光增强等实验上间接观察到更局域的光场，依据纳米结构上的原子尺度金属凸起的经典避雷针理论甚至给出了“皮米腔”的提法。然而，在如此极端的情况下，光场局域特性的研究存在着两大困境：(1)基于对光场分布的简单几何分析来刻画光场的局域程度已经不合适，需要基于模式理论和量子光学中光与物质相互作用强度来描述；(2)在纳米和亚纳米尺度，金属中电子的量子和多体效应凸显，经典电磁模式分析理论不再适用，也无法通过第一性原理计算得到。
陈学文教授团队成功解决了以上困难，指出避雷针效应的光场局域远不能达到“皮米腔”所宣称的程度，发现一种新的光场局域机制，据此预言在可见光波段存在一类低至1立方纳米体积的本征光场模式，并且该类模式可效率地被远场光所激发。具体来说，团队发展了基于量子流体力学模型的准正规模理论，构造了可描述金属中各类非经典效应的线性本征值问题，获得了金属精细纳米结构所能支撑的光学本征模式，并基于量子光学的概念定量刻画了这些模式的体积。基于这一理论，团队发现了一种局域于金属表面原子尺度特征结构的共振模式，其模式体积可以达到1 nm3以下，同时通过与光学天线的辐射模式耦合可获得高达30%的辐射效率。理论预测进一步指出：基于此有望实现破纪录的4×107倍光强增强和光与单量子辐射体的超强耦合。
陈学文教授团队的这项成果指出光子局域程度可以达到原子、分子中电子波函数的局域水平，光子对应的空间模场与单个光辐射体的大小可能处在同一个尺度上，拓展了人们对光物理的认识。
该研究工作得到了国家自然科学基金和华中科技大学的资助。
论文链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.257401
