聚焦光束在远小于波长的尺度上，提供动态调控量子应用的新思路

光学器件的强度和精度往往由有效光能决定，此外，它还与观察纳米粒子的限度有关。

基于此，光学领域意图限制并控制低发散的光束，这是一个巨大挑战。

马来西亚南安普顿大学与多特蒙德工业大学、雷根斯堡大学合作，证明光束可以被限制在0.02倍波长的小点上。该团队首次展示了受限光线可以以微小的数量级移动。

Erika Cortese称：“本质上，光很难被受限于比波长小的空间中，波长是一个Abbe极限的临界值。然而，利用一个复杂模型和数值模拟，我们已经成功演示了一种新方法，在亚波长尺度上定位并动态操纵光。”

南安普顿大学合作团队理论推导出，二维电子气体的回旋共振和高度受限THz共振模之间的多模耦合，该理论对描述低维系统中多模耦合作用具有普适性，其考虑了电磁模的非正交性。

图1 光可以在比远小于波长的距离内移动。该团队称，这种主动控制受限电磁场的方法可以影响多种纳米光子的应用。（图片来源：南安普顿大学）

该团队称：“我们强调了由于多个光子模式的存在而产生的特定光谱特征，并证明了通过二维电子气体的横向限制来调节模间耦合水平的可能性。”

此外，这种效应可以通过改变外加静磁场来动态调整亚波长电磁模式的空间轮廓，并且有可能被用于实现亚波长光镊，在亚微米距离上捕获和移动纳米粒子。

光镊使用高度聚焦的激光束以极高的精度捕捉、操纵和移动粒子。标准光镊无法将光束聚焦在比激光束本身远小于波长的尺度上，这限制了光镊精度。

基于理论结果，该团队希望探索新的实验方法和装置，使他们能够观察到预测的感应电场切面，从而驱动耦合。他们还研究不同的谐振器配置，以最大限度地发挥多模杂化的效果。进一步研究可以为更先进的操作技术开辟道路，例如用于生物、化学和软物质研究的纳米粒子的分类和合理组装。

Simone De Liberato教授说：“多模耦合可能会导致对包括生物粒子在内的微纳米级物体的操纵，或者可能会大幅提高微型传感器的灵敏度和分辨率。” 未来可能发展基于高度受限电磁场的可控性和潜在动态调谐的新量子应用。

Liberato教授说：“我们相信主动控制受限电磁场可以在多纳米光子应用中产生巨大的影响。”

[1] Erika Cortese, Joshua Mornhinweg, Rupert Huber, Christoph Lange, and Simone De Liberato, "Real-space nanophotonic field manipulation using non-perturbative light–matter coupling," Optica 10, 11-19 (2023)