2020年12月9日，美国明尼苏达双城大学领导的一个国际研究小组制造出一种部分光和部分物质的量子态。这项研究对下一代基于量子的光学和电子器件具有重要意义，有助于提高纳米尺度化学反应的效率。
研究人员通过将光捕获在一层薄薄的金层中的环形小孔中，实现了红外光与物质之间的超强耦合。这些洞小到2纳米，比人类头发的宽度小25000倍。
图1. 填充二氧化硅的金薄膜上的环形孔使光和原子振动之间产生了超强耦合。这种结构为探测与量子真空涨落相互作用的分子以及开发新型光电器件提供了机会。
研究人员说，纳米空腔可以被认为是同轴电缆的缩小版，里面填充了二氧化硅，类似于普通窗户中使用的玻璃混合物。基于计算机芯片工业中所用的制造方法使得同时产生数百万个这样的空腔成为可能，所有这些空腔都表现出超强的光子振动耦合。
“其他人已经研究了光与物质的强耦合，但通过这一新工艺来设计纳米级同轴电缆，我们正在推动超强耦合的前沿，这意味着我们正在发现新的量子态，在这种状态下，物质和光可以有非常不同的性质，并开始发生不寻常的事情，“研究人员San-Hyun Oh教授说，“这种光与原子振动的超强耦合为开发新的量子装置或修改化学反应开辟了各种可能性。”
红外光与材料中原子的振动相互作用。例如，当一个物体被加热时，组成该物体的原子振动更快，释放出更多的红外辐射，这使得热成像和夜视摄像机成为可能。材料吸收的红外辐射的波长取决于组成材料的特定原子及其排列方式，这使得化学家能够利用红外吸收来识别不同的化学物质。
增加红外光与材料中原子振动相互作用的强度可以改善这些应用。这可以通过将光捕获到包含材料的小体积中来实现。捕获光可以简单到让它在一对反射镜之间来回反射，但如果使用纳米级金属结构或“纳米空腔”将光限制在超短长度尺度上，则可以实现更强的相互作用。
在这些条件下，相互作用可以足够强，以至于光和振动的量子力学性质发挥作用。在这种情况下，吸收的能量以足够快的速度在纳米空腔中的光和材料中的原子振动之间来回传递，以至于光子和物质声子再也无法区分。这些强耦合模式产生了一种新的量子力学物体，这些物体既有光又有振动，称为极化子。相互作用越强，发生的量子力学效应就越奇怪。如果相互作用变得足够强，就有可能从真空中产生光子。
“通常我们认为真空基本上什么都没有，但事实证明真空波动总是存在的，”Oh说。“这是真正利用这种所谓的零能量波动来做一些有用的事情的重要一步。”
