在人工磁场中捕获的大量光子

实验方案-圆偏振光（以红色和蓝色标记）通过充满液晶的腔体传播，具体取决于传播方向。

来自波兰，英国和俄罗斯的国际研究合作创建了一个二维系统-一个充满液晶的薄光学腔-他们将光子捕获在其中。当空腔的特性被外部电压改变时，在人造磁场的影响下，光子的行为就像具有被称为“自旋”的磁矩的块状准粒子一样。该研究已于2019年11月8日发表在《科学》杂志上。

能量（垂直轴）取决于从双折射光学腔反射的偏振光的角度（水平轴）。

我们周围的世界具有一个时域和三个空间维度。长期以来，研究凝聚态的物理学家一直在研究低维系统-二维（2D）量子阱，一维（1D）量子线和零维（0D）量子点。2D系统找到了最广泛的技术应用-由于尺寸减小，高效的LED和激光二极管，集成电路中的快速晶体管以及WiFi无线电放大器可以工作。二维中的俘获电子的行为可能与自由电子完全不同。例如，在具有蜂窝对称性的二维碳结构的石墨烯中，电子的行为就像无质量的物体，即称为光子的轻粒子。

晶体中的电子彼此相互作用，并与晶格相互作用，从而形成了一个复杂的系统，由于引入了所谓的准粒子的概念，其描述成为可能。这些准粒子的性质，包括电荷，磁矩和质量，取决于晶体的对称性及其空间尺寸。物理学家可以创建尺寸减小的材料，发现充满奇异准粒子的“准宇宙”。二维石墨烯中的无质量电子就是这样的例子。

这些发现启发了华沙大学，波兰军事技术大学，波兰科学院物理研究所，南安普敦大学和莫斯科附近的斯科尔科沃研究所的研究人员，以研究陷于二维结构中的光-光学蛀牙。该科学论文的作者创建了一个光腔，在其中他们将光子捕获在两个反射镜之间。最初的想法是用充当光学介质的液晶材料填充空腔。在外部电压的影响下，该介质的分子可以旋转并改变光程长度。因此，可以在腔中产生驻波，当电场（极化）穿过分子时，其能量（振动频率）不同，而沿其轴的极化则不同（这是振动的频率）。这种现象称为光学各向异性）。

从充满液晶的光学腔反射的圆偏振光的层析成像。

在华沙大学进行的研究中，发现了被困在腔中的光子的独特行为，因为它们的行为类似于带有质量的准粒子。以前已经观察到这种准粒子，但是由于光不会对电场或磁场起反应，因此难以操作。这次要注意的是，随着腔体中液晶材料的光学各向异性的改变，被捕获的光子的行为就像具有磁矩的准粒子，或“人工磁场”中的“自旋”。电磁波的极化起了空腔中光的“自旋”作用。使用电子在凝聚态中的行为的类比，最容易解释该系统中的光的行为。

描述陷在腔中的光子运动的方程类似于自旋的电子运动的方程。因此，有可能建立一个光电子系统，该系统完美地模仿电子特性并导致许多令人惊讶的物理效应，例如光的拓扑状态。

与光学各向异性腔中的光俘获有关的新现象的发现可以使得能够实现新的光电器件，例如光电子器件。光学神经网络并执行神经形态计算。特别有希望创造一种独特的物质量子态-玻色爱因斯坦凝聚物。这种冷凝物可用于量子计算和模拟，解决了现代计算机难以解决的问题。研究的现象将为技术解决方案和进一步的科学发现开辟新的可能性。

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参考：KatarzynaRechcińska，MateuszKról，RafałMazur，PrzemysławMorawiak，RafałMirek，KarolinaŁempicka，Witold Bardyszewski，Michaula Matuszekawk，Plzemystor，Patzemysaw，KaterzynaRechcińska，“在液晶光学腔中设计自旋轨道合成哈密顿量”。芭芭拉·皮恩卡（BarbaraPiętka）和雅克（Jacek Szczytko），2019年11月8日，科学.DOI：
10.1126 / science.aay4182

该研究得到了波兰国家科学中心，科学和高等教育部，国防部以及英国工程和物理科学研究委员会的支持。

物理学和天文学最初于1816年在当时的哲学系下华沙大学（University of Warsaw）出现。1825年，天文台成立。目前，物理学院的学院包括实验物理，理论物理，地球物理，数学方法系和天文台。研究范围涉及从量子到宇宙学的几乎所有现代物理学领域。该学院的研究和教学人员包括大学教师200人，其中具有教授职称的从业人员77人。华沙大学物理系出席了会议。 1000名学生和170多名博士生。