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 來自荷蘭特溫特大學(xué)的科學(xué)家們，取得了關(guān)于通過納米結(jié)構(gòu)來控制光量的新突破。他們首次發(fā)現(xiàn)：無所不在的光噪聲大小，取決于所有納米結(jié)構(gòu)的尺寸大小及其所能達(dá)到0噪聲這一理想極限的速度。他們的理論為目前正在制造的芯片器件提供設(shè)計(jì)規(guī)則，其中包括激光器、發(fā)光二極管、太陽能電池和量子計(jì)算機(jī)等。該論文將在今年6月出版在著名的物理學(xué)期刊《Physical Review Letters》上（預(yù)印本：“光子帶隙晶體中態(tài)密度的有限尺度縮放”）中。

眾所周知，如果晚上在密閉房間里關(guān)掉所有的燈，我們就會遁入黑暗之中。然而令人稱奇的是：量子力學(xué)定律表明，沒有空間永遠(yuǎn)是黑暗的。即使是最黑暗的地窖或櫥柜，也存在無所不在的光波（也稱為真空波動或光噪音）。盡管肉眼不可見，但光噪聲很容易被原子檢測到。事實(shí)上，光波被輕微的噪音所擾動，以至于它們不會保持在它們的激發(fā)能量狀態(tài)，而是迅速下降到低能量狀態(tài)，同時(shí)輻射光量子即光子。原子每秒發(fā)射的光子數(shù)，換句話說，也就是源發(fā)射功率—與光噪聲大小成正比。

圖1. 自由空間中有限光子晶體納米結(jié)構(gòu)示意圖。光子晶體由半導(dǎo)體材料（如用灰色表示的硅）中的孔洞，周期性排列所組成。這些孔洞是在特溫特大學(xué)進(jìn)行制備的。周圍自由空間的光噪聲表現(xiàn)為紅色小波。對于一系列顏色的光(稱為光子帶隙)，光噪聲被禁止進(jìn)入晶體，從而導(dǎo)致強(qiáng)烈的黑暗!該研究所要解決的問題是：在使納米結(jié)構(gòu)變得越來越大的同時(shí)，達(dá)到絕對黑暗的速度到底會有多快？圖片來源：特溫特大學(xué)

據(jù)預(yù)測，在被稱為光子晶體的納米結(jié)構(gòu)中可完全消除光噪聲。因此在這樣一個(gè)周期性排列的納米結(jié)構(gòu)中，絕對黑暗甚至比最黑暗的地窖還要暗！然而之前理論認(rèn)為，周期性結(jié)構(gòu)必須在整個(gè)宇宙中無限期地重復(fù)以擁有這種非凡的性質(zhì)。而在自然環(huán)境中，具有真正的納米結(jié)構(gòu)是有限的。因此在真正的晶體內(nèi)部，它不是絕對黑暗，并且嵌入的激發(fā)原子也不會永遠(yuǎn)保持激發(fā)態(tài)。那么問題來了：通過使納米結(jié)構(gòu)越來越大進(jìn)而達(dá)到絕對黑暗的速度到底有多快呢？

截至目前為止，人們知道真實(shí)有限晶體內(nèi)一個(gè)位置的光噪聲以指數(shù)方式接近無限大小。換句話說，如果某種晶體具有兩倍抑制的噪聲，則兩倍大的晶體具有四倍抑制的噪聲。然而在許多實(shí)際情況下，如激光器、發(fā)光二極管、太陽能電池等，我們并不關(guān)心一個(gè)地方的一個(gè)原子，而是關(guān)心很多地方的許多原子。因此，工程師對納米結(jié)構(gòu)內(nèi)部的平均光噪聲很感興趣，并且這也取決于納米結(jié)構(gòu)的尺寸大小。通過在晶體中的多點(diǎn)來計(jì)算平均噪聲是不可能的。因此，我們迫切需要一種新的方法來解決這一難題。

圖2. 作為納米結(jié)構(gòu)反尺寸函數(shù)的光噪聲。對于3D光子晶體納米結(jié)構(gòu)的情況，用新理論計(jì)算紅色數(shù)據(jù)點(diǎn)。藍(lán)色實(shí)線是一條可很好地描述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的直線。圖片來源：特溫特大學(xué)

來自特溫特大學(xué)MESA 納米技術(shù)研究所的科學(xué)家們通過提出一種新的理論，以試圖解決長期存在的問題。該理論描述了光噪聲如何作為晶體尺寸函數(shù)被抑制。他們復(fù)雜的分析結(jié)果其實(shí)非常簡單。光噪聲密度與晶體線性范圍成反比（如圖2），遠(yuǎn)低于廣泛預(yù)期的指數(shù)下降。Ad Lagendijk教授指出：“令人驚訝的是，這條絕對黑暗的直線路徑不僅在三維上，而且在二維（如板中的周期性納米棒陣列或納米孔陣列）甚至在一維中普遍適用于納米結(jié)構(gòu)（對于定期層疊）。我們的發(fā)現(xiàn)有助于光子工程師設(shè)計(jì)適當(dāng)尺寸的納米結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)所需的功能。”

該研究所提出的第二個(gè)新見解是，真實(shí)和有限的納米結(jié)構(gòu)內(nèi)的光噪聲基本上集中在外表面附近。Lagendijk笑著說：“這意味著我們應(yīng)將原子充分遠(yuǎn)離表面，以在理想情況下獲益。這是一種我們通常不會遇到的有利情況。”至于該發(fā)現(xiàn)所能涉及到的應(yīng)用領(lǐng)域，Lagendijk熱情洋溢地說道：“許多器件都采用了光子納米結(jié)構(gòu)，比如芯片微型激光器、我們在飛利浦照明公司的合作者所提供的發(fā)光二極管或者光伏電池。在大家追求的量子位背景下：它們也會受到輕微的噪音影響，因此將它們置于光子納米結(jié)構(gòu)中，有助于提高量子計(jì)算機(jī)的性能。”