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 來自荷蘭特溫特大學的科學家們，取得了關于通過納米結構來控制光量的新突破。他們首次發現：無所不在的光噪聲大小，取決于所有納米結構的尺寸大小及其所能達到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計規則，其中包括激光器、發光二極管、太陽能電池和量子計算機等。該論文將在今年6月出版在著名的物理學期刊《Physical Review Letters》上（預印本：“光子帶隙晶體中態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：量子力學定律表明，沒有空間永遠是黑暗的。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能量狀態，而是迅速下降到低能量狀態，同時輻射光量子即光子。原子每秒發射的光子數，換句話說，也就是源發射功率—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構示意圖。光子晶體由半導體材料（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進行制備的。周圍自由空間的光噪聲表現為紅色小波。對于一系列顏色的光(稱為光子帶隙)，光噪聲被禁止進入晶體，從而導致強烈的黑暗!該研究所要解決的問題是：在使納米結構變得越來越大的同時，達到絕對黑暗的速度到底會有多快？圖片來源：特溫特大學

據預測，在被稱為光子晶體的納米結構中可完全消除光噪聲。因此在這樣一個周期性排列的納米結構中，絕對黑暗甚至比最黑暗的地窖還要暗！然而之前理論認為，周期性結構必須在整個宇宙中無限期地重復以擁有這種非凡的性質。而在自然環境中，具有真正的納米結構是有限的。因此在真正的晶體內部，它不是絕對黑暗，并且嵌入的激發原子也不會永遠保持激發態。那么問題來了：通過使納米結構越來越大進而達到絕對黑暗的速度到底有多快呢？

截至目前為止，人們知道真實有限晶體內一個位置的光噪聲以指數方式接近無限大小。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。然而在許多實際情況下，如激光器、發光二極管、太陽能電池等，我們并不關心一個地方的一個原子，而是關心很多地方的許多原子。因此，工程師對納米結構內部的平均光噪聲很感興趣，并且這也取決于納米結構的尺寸大小。通過在晶體中的多點來計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. 作為納米結構反尺寸函數的光噪聲。對于3D光子晶體納米結構的情況，用新理論計算紅色數據點。藍色實線是一條可很好地描述實驗數據點的直線。圖片來源：特溫特大學

來自特溫特大學MESA 納米技術研究所的科學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被抑制。他們復雜的分析結果其實非常簡單。光噪聲密度與晶體線性范圍成反比（如圖2），遠低于廣泛預期的指數下降。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構（對于定期層疊）。我們的發現有助于光子工程師設計適當尺寸的納米結構，以實現所需的功能。”

該研究所提出的第二個新見解是，真實和有限的納米結構內的光噪聲基本上集中在外表面附近。Lagendijk笑著說：“這意味著我們應將原子充分遠離表面，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。”至于該發現所能涉及到的應用領域，Lagendijk熱情洋溢地說道：“許多器件都采用了光子納米結構，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構中，有助于提高量子計算機的性能。”