利用强光-物质耦合实现相位奇异性的全光控制

      当物体反射的光振幅为零时，其相位变的极不稳定，此时会出现相位奇点。奇异光学聚焦光学领域的相位奇异性，主要研究了真实空间中电磁场剖面中的光涡旋。在光子色散图中也可以观察到相位奇异性，其中响应函数（例如光反射时的相位变化）在参数空间中绘制（与能量、入射角或几何参数相关的函数）。这些相位奇点会导致反射光谱中出现剧烈的相位跳变，该原理可用于传感技术，其灵敏度比商业传感技术高出三个数量级。此外，相位奇异性也可拓展于平板光学系统，基于布鲁斯特角、表面等离子体共振、等离子体晶格、过渡金属二元化合物、光学Tamm态和Fabry-Pérot微腔等结构观察到了相位奇点。实现相位奇点需要使用光刻、自组装或精密设计的复杂结构。在这些结构中，相位奇点只能在特定的条件下才可以观察到（例如光的一个特定入射角）。

        近日，英国埃克塞特大学物理与天文系的Philip A. Thomas和William L. Barnes研究团队利用无腔强耦合的概念（即材料维持的电磁模式强到足以与材料自身的分子共振强耦合），从而在简单的有机分子薄膜中创建相位奇点。如果在相同条件下激发物质和光模式，便可耦合分子谐振器和受限电磁场的系综。当耦合强度超过对环境的损失时，光和物质模式进入强耦合状态，形成极化激元的混合态。虽然大多数强耦合实验依赖外部结构（如平面微腔或等离子体纳米结构）来产生受限电磁场，但该团队的结果表明外部结构并非必要条件。他们利用光化学反应，通过简单的光照来控制耦合分子的数量，从而控制光与物质的耦合强度。这使得人们可以调谐与每个极化子分支相关的相位奇点，并使其失谐，从而改变薄膜的相位灵敏度。该结果证明了强光-物质耦合可以在色散图中以非常简单的结构创建相位奇点，这既是强光-物质耦合的一个新应用，也是操纵相位奇异性的一种新颖、简单的通用方法。相关研究发表在《Nature Communications》上。（钟雨豪）

        文章链接：Thomas, P.A., Menghrajani, K.S. & Barnes, W.L. All-optical control of phase singularities using strong light-matter coupling. Nat Commun 13, 1809 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-29399-x