皮米光子学诞生！研究人员开始在皮米级别研究开发光学材料

皮米光子学：picophotonics，又称皮米光电学

美国普渡大学的研究人员发现了只有皮米级大小的电磁波，这种波可以在硅等半导体中传播。该研究团队由埃尔默电气和计算机工程副教授、物理和天文学系的祖宾·雅各布博士领导，在《物理评论应用》上发表了他们的研究结果，题为“皮米光子学：硅中的反常原子波”

雅各布说：“微观这个词的起源是微米的长度尺度，比一米小一百万倍。我们的工作是在小得多的皮米范围内进行光与物质的相互作用研究，发现其中原子晶格的离散排列以惊人的方式改变了光的性质。”

这些有趣的发现在现实中，自然介质在原子层面上存在着丰富的光与物质相互作用现象。在半导体材料中使用皮米光子波可以让致研究人员设计出新的功能性光学器件，从而在量子技术中应用。

从激光器到探测器，材料中的光与物质相互作用是许多光子器件的核心。在过去的十年中，纳米光子学，即对光子晶体和超材料等工程结构中，对光如何在纳米尺度上流动的研究，已经取得了重要进展。现有的研究可以在经典原子物质理论的范围内进行。

这次普渡大学的研究人员的发现进入了皮光子级别，这是利用物质原子反应的量子理论实现的重大飞跃。

该领域长期存在的难题是原子晶格、它们的对称性以及它在皮米微光场中所起的作用之间缺少联系。为了解决这个难题，结合了材料中光致响应的量子理论，研究团队开发了一个Maxwell Hamiltonian框架。

雅各布说：“这是一个与应用于纳米光子学的经典光流处理方法的关键转变。光在材料中行为的量子性质是皮米微光子学现象出现的关键。”

该团队发现，隐藏在传统的众所周知的电磁波中，原子晶格中出现了新的异常波。这些光波甚至在硅晶体的一个基本结构块（亚纳米长度尺度）内都是高度振荡的。

天然材料本身具有丰富的固有晶格对称性，光受到这些对称性的强烈影响。研究的下一个直接目标是将该理论应用于大量的量子和拓扑材料，并通过实验验证这些新波的存在。

雅各布说：“我们的团队一直引领着原子级物质内皮米级电动场研究的前沿。我们最近发起了皮米微电动力学理论网络，在那里我们将不同的研究人员聚集在一起，探索源自物质内部微观微微电动力学场的宏观现象。”

牛财金科普小知识：皮米(picometer或pm)是长度单位，1皮米相当于1米的一万亿分之一。

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