来自荷兰特温特大学的科学家们，取得了关于通过纳米结构来控制光量的新突破。他们首次发现：无所不在的光噪声大小，取决于所有纳米结构的尺寸大小及其所能达到0噪声这一理想极限的速度。他们的理论为目前正在制造的芯片器件提供设计规则，其中包括激光器、发光二极管、太阳能电池和量子计算机等。该论文将在今年6月出版在著名的物理学期刊《Physical Review Letters》上（预印本：“光子带隙晶体中态密度的有限尺度缩放”）中。

众所周知，如果晚上在密闭房间里关掉所有的灯，我们就会遁入黑暗之中。然而令人称奇的是：量子力学定律表明，没有空间永远是黑暗的。即使是最黑暗的地窖或橱柜，也存在无所不在的光波（也称为真空波动或光噪音）。尽管肉眼不可见，但光噪声很容易被原子检测到。事实上，光波被轻微的噪音所扰动，以至于它们不会保持在它们的激发能量状态，而是迅速下降到低能量状态，同时辐射光量子即光子。原子每秒发射的光子数，换句话说，也就是源发射功率—与光噪声大小成正比。

图1. 自由空间中有限光子晶体纳米结构示意图。光子晶体由半导体材料（如用灰色表示的硅）中的孔洞，周期性排列所组成。这些孔洞是在特温特大学进行制备的。周围自由空间的光噪声表现为红色小波。对于一系列颜色的光(称为光子带隙)，光噪声被禁止进入晶体，从而导致强烈的黑暗!该研究所要解决的问题是：在使纳米结构变得越来越大的同时，达到绝对黑暗的速度到底会有多快？图片来源：特温特大学

据预测，在被称为光子晶体的纳米结构中可完全消除光噪声。因此在这样一个周期性排列的纳米结构中，绝对黑暗甚至比最黑暗的地窖还要暗！然而之前理论认为，周期性结构必须在整个宇宙中无限期地重复以拥有这种非凡的性质。而在自然环境中，具有真正的纳米结构是有限的。因此在真正的晶体内部，它不是绝对黑暗，并且嵌入的激发原子也不会永远保持激发态。那么问题来了：通过使纳米结构越来越大进而达到绝对黑暗的速度到底有多快呢？

截至目前为止，人们知道真实有限晶体内一个位置的光噪声以指数方式接近无限大小。换句话说，如果某种晶体具有两倍抑制的噪声，则两倍大的晶体具有四倍抑制的噪声。然而在许多实际情况下，如激光器、发光二极管、太阳能电池等，我们并不关心一个地方的一个原子，而是关心很多地方的许多原子。因此，工程师对纳米结构内部的平均光噪声很感兴趣，并且这也取决于纳米结构的尺寸大小。通过在晶体中的多点来计算平均噪声是不可能的。因此，我们迫切需要一种新的方法来解决这一难题。

图2. 作为纳米结构反尺寸函数的光噪声。对于3D光子晶体纳米结构的情况，用新理论计算红色数据点。蓝色实线是一条可很好地描述实验数据点的直线。图片来源：特温特大学

来自特温特大学MESA 纳米技术研究所的科学家们通过提出一种新的理论，以试图解决长期存在的问题。该理论描述了光噪声如何作为晶体尺寸函数被抑制。他们复杂的分析结果其实非常简单。光噪声密度与晶体线性范围成反比（如图2），远低于广泛预期的指数下降。Ad Lagendijk教授指出：“令人惊讶的是，这条绝对黑暗的直线路径不仅在三维上，而且在二维（如板中的周期性纳米棒阵列或纳米孔阵列）甚至在一维中普遍适用于纳米结构（对于定期层叠）。我们的发现有助于光子工程师设计适当尺寸的纳米结构，以实现所需的功能。”

该研究所提出的第二个新见解是，真实和有限的纳米结构内的光噪声基本上集中在外表面附近。Lagendijk笑着说：“这意味着我们应将原子充分远离表面，以在理想情况下获益。这是一种我们通常不会遇到的有利情况。”至于该发现所能涉及到的应用领域，Lagendijk热情洋溢地说道：“许多器件都采用了光子纳米结构，比如芯片微型激光器、我们在飞利浦照明公司的合作者所提供的发光二极管或者光伏电池。在大家追求的量子位背景下：它们也会受到轻微的噪音影响，因此将它们置于光子纳米结构中，有助于提高量子计算机的性能。”