研究人员通过特定的材料布局，率先设计并操纵光子轨道，从而有望在光学技术和量子计算领域取得进展。

在荷兰特温特大学科学家最近的一篇论文中，他们对构成光的基本粒子有了重要的认识。这些粒子——光子，其行为比围绕原子的电子更为复杂多样，同时也更容易控制。这些新见解具有广泛的应用，从智能LED照明到用量子电路控制的新型光子信息比特，再到灵敏的纳米传感器。

理解电子和光子轨道

在原子中，微小的基本粒子——电子占据原子核周围的区域，这些区域被称为轨道。这些轨道给出了在特定空间区域中找到电子的概率。量子力学决定了这些轨道的形状和能量。与电子类似，研究人员也用轨道来描述光子最可能出现的空间区域。

“无论你设计什么狂野的形状”

特温特大学的研究人员研究了这些光子轨道，并发现通过仔细设计特定材料，他们可以以各种形状和对称性创建和控制这些轨道。这些研究结果在先进的光学技术和量子计算中具有潜在的应用价值。

第一作者Kozon解释道：“在化学教科书中，电子总是围绕轨道中心的微小原子核旋转。因此，电子轨道的形状与完美的球体相差不大。使用光子时，通过将不同的光学材料以设计的空间布局组合在一起，轨道可以具有您设计的任何狂野形状。”

通过计算研究的光子轨道设计

研究人员进行了一项计算研究，以了解光子在特定三维纳米结构（由微小孔隙组成的光子晶体）中被限制时的行为。这些空腔是故意设计有缺陷的，从而创建出一种超结构，将光子态与周围环境隔离开来。

物理学家沃斯和拉根迪克热情地说：“有了纳米技术这个丰富的工具箱，设计具有新型光子轨道的巧妙纳米结构比修改原子以实现新型电子轨道和化学要容易得多。”

纳米结构设计在光子学中的影响

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态的局部密度，这对于腔量子电动力学中的应用非常重要。他们发现，缺陷较小的结构比缺陷较大的结构显示出更大的增强效果。这使得它们更适合集成量子点和创建单光子网络。

参考文献：“三维光子带隙超晶格中光子的对称性和波函数”，作者为 Marek Kozoň、Ad Lagendijk、Matthias Schlottbom、Jaap J. W. van der Vegt 和 Willem L. Vos，发表于 2024 年 6 月 20 日，《物理评论 B》。DOI: 10.1103/PhysRevB.109.235141

这项研究由特温特大学的 Marek Kozoň、Ad Lagendijk、Matthias Schlottbom、Jaap van der Vegt 和 Willem Vos 完成。Marek 是一名理论物理学家，最近刚从 COPS 和 MACS 教授职位（现在在德国的 Pixel Photonics GmbH，一家单光子探测器公司）毕业，Matthias 和 Jaap 是 MACS 的教授，而 Ad 和 Willem 是 COPS 的教授。

这项工作的支持来自于NWO-CSER计划，项目编号为680.93.14CSER035的“理解干扰光吸收以提高太阳能电池效率”项目；NWO-JCER计划，项目编号为680-91-084的“精确高效计算纳米结构的光学特性以提高光伏性能”项目；NWO-GROOT计划，项目编号为OCENW.GROOT.2019.071的“具有可见光带隙的自组装二十面体光子准晶体”项目；NWO-TTW Perspectief计划P15-36“自由形状散射光学”（FFSO）；以及MESA+纳米技术研究所的应用纳米光子学（ANP）部门。