フォトニック分子

フォトニック分子は、光子が結合して「分子」を形成する物質の一種です。^{[1] [2] [3]}これらは2007年に初めて予測されました。フォトニック分子は、個々の（質量のない）光子が「互いに非常に強く相互作用し、質量があるかのように振る舞う」ときに形成されます。^{[4]別の定義（同等ではない）では、2つ以上の結合した光空洞に閉じ込められた光子も、相互作用する}原子エネルギーレベルの物理を再現し、フォトニック分子と呼ばれています。

研究者たちはこの現象とスターウォーズに登場する架空の「ライトセーバー」との類似点を指摘した。^{[4] [5]}

気体のルビジウム 原子が真空チャンバーに送り込まれ、その雲はレーザーを使って絶対零度よりほんの数度高い温度まで冷却された。弱いレーザーパルスを使って、少数の光子が雲に発射された。^[4]

光子が雲に入ると、そのエネルギーによって経路上の原子が励起され、速度が低下します。雲の媒体内では、光子は高度に励起されたリュードベリ状態にある強く相互作用する原子と分散的に結合します。これにより、光子は強い相互引力を持つ質量のある粒子（光子分子）として振る舞います。最終的に、光子は通常の光子（多くの場合、ペアでエンタングルメント）として一緒に雲から出ます。^[4]

この効果は、いわゆるリュードベリ遮断によって引き起こされ、励起された原子が 1 つ存在すると、近くの原子が同じ程度に励起されるのを防ぎます。この場合、2 つの光子が原子雲に入ると、最初の光子が原子を励起し、相互作用で消滅しますが、伝達されたエネルギーは、2 番目の光子が近くの原子を励起する前に、励起された原子内で前進する必要があります。実際には、2 つの光子は、エネルギーが 1 つの原子から次の原子に渡されるときに雲を通じて互いに押し引きし合い、相互作用を強いられます。この光子相互作用は、光子と原子間の電磁相互作用によって媒介されます。^[4]

光子の相互作用は、この効果を利用して量子情報を保存し、量子論理演算を使用して処理できるシステムを構築できることを示唆している。^[4]

このシステムは、電子よりも光子を操作するのに必要な電力がはるかに低いことを考えると、古典的なコンピューティングにも役立つ可能性があります。^[4]

フォトニック分子を媒体内で配置して、より大きな2次元構造（図に似たもの）を形成することも可能かもしれない。^[4]

フォトニック分子という用語は、1998 年以来、電磁的に相互作用する光マイクロキャビティを含む無関係な現象にも使用されています。光マイクロキャビティおよびナノキャビティ内の量子化された閉じ込められた光子状態の特性は、原子内の閉じ込められた電子状態の特性と非常に似ています。^[6]この類似性により、光マイクロキャビティは「フォトニック原子」と呼ぶことができます。この類似性をさらに進めると、相互に結合した複数のフォトニック原子のクラスターがフォトニック分子を形成します。^[7]個々のフォトニック原子を近接させると、それらの光学モードが相互作用し、フォトニック分子の混成スーパーモードのスペクトルが生じます。^[8]これは、2 つの孤立したシステムが結合したときに発生することと非常によく似ており、たとえば 2 つの水素原子軌道が集まって水素分子の結合軌道と反結合軌道を形成し、これが結合したシステム全体の混成スーパーモードになります。

「マイクロメートルサイズの半導体片は、光子を原子内の電子のように動作させる方法で内部に閉じ込めることができます。現在、9 月 21 日の PRL では、これらの「光子原子」を 2 つリンクする方法が説明されています。このような密接な関係の結果が「光子分子」であり、その光学モードは水素などの二原子分子の電子状態に非常に似ています。」^[9]「化学分子との類似性から名付けられた光子分子は、近接して配置された電磁相互作用するマイクロキャビティまたは「光子原子」のクラスターです。」^[10]「光学的に結合されたマイクロキャビティは、基礎科学の研究だけでなく応用にも有望な特性を持つ光子構造として登場しました。」^[11]

フォトニック分子の2レベルシステムの光子による最初の実現は、Spreewらによるものでした。^{[12]彼らは}光ファイバーを使用してリング共振器を実現しましたが、「フォトニック分子」という用語は使用していませんでした。分子を形成する2つのモードは、リングの偏光モード、またはリングの時計回りモードと反時計回りモードである可能性があります。これに続いて、単純な二原子分子との類似性に触発されて、リソグラフィーで製造されたフォトニック分子が実証されました。^[13]しかし、他の自然に触発されたPM構造（「フォトニックベンゼン」など）が提案され、化学的対応物の基底状態分子軌道に非常に類似した限定された光モードをサポートすることが示されました。^[14]

フォトニック分子は、バイオ（化学）センシング、^{[15] [16]}キャビティオプトメカニクス、^{[17] [18]}マイクロレーザー、^{[19] [20] [21] [22]}など、さまざまな用途において孤立したフォトニック原子よりも優れた利点を提供します。フォトニック分子は、多体物理学の量子シミュレーターとして、また将来の光量子情報処理ネットワークの構成要素としても使用できます。^[23]

完全に類似して、閉じ込められた表面プラズモン状態をサポートする金属ナノ粒子のクラスターは、「プラズモニック分子」と呼ばれています。^{[24] [25] [26] [27] [28]}

最後に、ハイブリッドフォトニックプラズモニック（またはオプトプラズモニック）^{[29] [30] [31] [32]}および弾性分子^[33]も提案され、実証されている。

• 光伝導エーテル
• 光ルミネセンス