《物理评论快报》（Physical Review Letters）12月22日在线刊发了物理学院和量子科学与工程研究院陈学文教授团队题为《极端纳米光学的准正规模分析的通用理论框架》（General Framework of Canonical Quasinormal Mode Analysis for Extreme Nano-optics,Phys. Rev. Lett.127, 267401 (2021)）的论文。华中科技大学物理学院为论文唯一单位，论文作者包括周强（物理学院19级博士生）、张朴和陈学文，其中陈学文教授和张朴副教授为论文共同通信作者。
近十年来，随着纳米科学、技术和加工能力的进步，特征尺寸为几纳米甚至更精细的金属和半导体结构可被成功制备，科学家们在金属纳米天线光谱、针尖拉曼散射、荧光增强等实验中观察到经典局域电磁理论所无法解释的实验现象，空间局域程度到原子、分子尺度的光场被发现，催生了光物理的前沿领域--“极端纳米光学”(Extreme Nano-Optics)，即纳米光学2.0。在这样的背景下，正确刻画纳米物质中的非局域效应及量子效应是定量研究极端纳米光学的重要出发点，发展适用于极端纳米光学的准正规模理论是正确理解光学响应物理本质的关键。当前学界对非局域及量子效应的描述往往从某种特定效应出发，写出与该类型对应的非局域模型，因此存在各式各样的理论模型；而且在这些模型描述下，物质中电磁相互作用类型和能量形式复杂，难以正确定义系统的本征光学模式，以及给出模式间正交归一关系。
在本工作中，陈学文团队将非局域、电子溢出及其他量子效应的本质概括为体系中带电体间的相互作用，创造性地提出广义洛伦兹模型。该模型将与带电体空间分布梯度相关的非局域相互作用概括为算符，并基于牛顿第二定律构成场与带电粒子相互作用的动力学方程，因此是一种通用理论框架，涵盖当前学界所有主流非局域模型。相比于经典教科书对空间色散的描述，例如朗道-栗弗席兹的《连续介质电动力学》中实空间及动量空间描述，广义洛伦兹模型在具备普适性的同时在数学上更加具体，因而更具有可操作性。在广义洛伦兹模型的基础上，作者们对具有复杂非局域效应的非厄米系统正确地定义了线性本征值问题，导出该系统的坡印廷定理等电磁学定理，成功地实现了准正规本征模的正交归一化，从而建立一整套适用于极端纳米光学的完备的、通用的准正规模理论，填补了在该方面准正规模理论的空白。
作为前述准正则模式理论的应用，作者首次报道了金属中电子的量子流体力学模型和半导体极性介质中声子参与的晶格振荡非局域模型各自对应的广义洛伦兹模型，并显式地给出了它们各自对应的准正规模式正交归一化方案。作为应用实例，如图所示，作者研究了量子隧穿机制作用下金属二聚体共振模式的演化特性，与通常的散射或吸收光谱学表征相比，准正规模分析能更准确地揭示物理本质。
图1. (a)金属纳米颗粒二聚体的消光谱；(b)消光谱的模式重构；(c) 准正规模式的共振波长随二聚体缝隙大小d的演化；(d) 本征模场电流分布，对应不同缝隙大小。
这项研究工作是陈学文教授团队近年来在光物理前沿领域的又一项重要阶段性研究成果。此前，陈学文教授团队针对光物理的基本问题：光场到底可被压缩到多小的空间范围内，光场可否像电子那样以近乎“点”的体积存在？等光场局域相关现象展开了研究。团队发现了一种新的光场局域机制，以《Bright Optical Eigenmode of 1 nm3 Mode Volume》为题发表于物理学类权威期刊Physical Review Letters（Phys. Rev. Lett.126, 257401 (2021)），论文指出在可见光波段存在一类低至1立方纳米体积的本征光场模式，成果并且指出基于光学天线效应该类模式可高效率地被远场光所激发。
本项研究工作得到了国家自然科学基金（11874166，9215011）的资助。
论文链接:
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.267401