在光子晶体超晶格中出现几个光子轨道。图片来源：Physical Review B （2024）。DOI： 10.1103/PhysRevB.109.235141

荷兰特温特大学的研究人员对光子（构成光的基本粒子）有了重要的了解。与原子周围的电子相比，它们的“行为”种类繁多，同时也更容易控制。

这些新见解具有广泛的应用，从智能LED照明到由量子电路控制的新型光子信息位，再到灵敏的纳米传感器。他们的研究结果发表在《物理评论B》上。

在原子中，称为电子的微小基本粒子以称为轨道的形状占据原子核周围的区域。这些轨道给出了在特定空间区域找到电子的概率。量子力学决定了这些轨道的形状和能量。与电子类似，研究人员描述了最有可能在轨道上发现光子的空间区域。

特温特大学的研究人员研究了这些光子轨道，发现通过对特定材料的精心设计，他们可以创建和控制这些具有各种形状和对称性的轨道。这些结果在先进光学技术和量子计算中具有潜在的应用价值。

第一作者Kozon解释说：“在教科书化学中，电子总是围绕轨道中心的微小原子核运行。因此，电子轨道的形状不能与完美球体相差太大。有了光子，轨道可以具有您设计的任何狂野形状，方法是在设计的空间排列中组合不同的光学材料。

研究人员进行了一项计算研究，以了解光子被限制在由微小孔隙（光子晶体）组成的特定3D纳米结构中时的行为。这些空腔被故意设计为有缺陷，形成一个将光子态与周围环境隔离开来的上层建筑。

物理学家沃斯（Vos）和拉根迪克（Lagendijk）说：“鉴于纳米技术中丰富的工具箱，设计具有新颖光子轨道的漂亮纳米结构比修改原子以实现新颖的电子轨道和化学要容易得多。

光子轨道对于开发先进的光学技术非常重要，例如高效照明、量子计算和灵敏的光子传感器。研究人员还研究了这些纳米结构如何增强光学态的局部密度，这对于腔量子电动力学的应用很重要。

他们发现，具有较小缺陷的结构比具有较大缺陷的结构显示出更大的增强。这使得它们更适合于集成量子点和创建单光子网络。

更多信息：Marek Kozoň 等人，限制在三维光子带隙超晶格中的光子的对称性和波函数，物理评论 B （2024）。DOI： 10.1103/PhysRevB.109.235141

期刊信息： Physical Review B