两位中国学者与马克斯·普朗克量子光学研究所的科学家们合作，首创设计了一种人们过去梦想的极其微小的光学镜，这种新型光学镜超材料由仅包含两百个相同原子的单个结构化层组成，原子排列在通过干涉激光束形成的光学晶格的二维阵列中。该研究结果首创具有序原子的亚波长量子光学新领域中此类实验及其首次观察。其最新研究结果论文发表在今天的《自然》杂志上。
论文第一作者与通讯作者Jun Rui，为从中国科技大合肥微尺度物理科学国家实验室到马克斯·普朗克量子光学研究所（MPQ）从事研究的博士后研究人员。论文第二作者David Wei，为从加州大学伯克利分校物理系到马克斯·普朗克量子光学研究所从事研究的博士后研究人员。
如上图所示两位中国学者在他们复杂的实验装置前，操作使用人眼看不见的原子构成的光学镜（最里面的镜子）。
如下图所示研究人员所开发的这种新颖的光物质具体界面，实现了由200个原子的单分子层形成的最轻的反射镜。
通常，镜子利用高度抛光的金属表面或经过特殊涂层的光学玻璃来提高重量更轻的性能。但是，研究团队现在首次证明，即使是由数百个原子组成的单个结构层也已经可以形成光学镜，使其成为可想象的最轻的镜。新的镜子只有几十纳米，比一根头发丝还要薄一千倍。但是，反射是如此强烈，甚至可以用纯正的人眼察觉到。
镜子后面的机制
镜子与以二维阵列排列的相同原子一起工作，它们以规则的图案排列，间距小于原子的光学跃迁波长，这是此类超材料的典型特征和必要特征。超材料（Metamaterials）是人为设计的结构，具有非常特殊的特性，而这种特性很少能在自然界发现。它们不是从其制造的材料而是从其设计的特定结构中获得其特性。
这种新颖的光学镜背后的两个关键特性是规则图形和亚波长间隔及其相互作用。首先，原子的规则图案和亚波长间隔都抑制了光的散射，从而将反射束缚在一个单向且稳定的光束中。其次，由于原子之间的距离相对较近且离散，因此入射光子在被反射之前可以在原子之间来回反弹不止一次。抑制光散射和光子弹跳这两种效果都会导致如论文所说的“对外部场的增强协作响应”（enhanced cooperative response to the external field），在这种情况下意味着：非常强的反射。
镜子本身的直径约为7微米，非常小，以至于远远超出视觉识别范围。但是，在其中创建设备的装置非常庞大。它与其他量子光学实验完全一样，由数千个单一光学组件组成，重约两吨。因此，新颖的材料几乎不会影响人们日常使用。可是其科学的影响将可能是深远的。
两位中国学者表示，“结果对我们来说非常令人兴奋。就像在典型的稀疏整体合奏中一样，在我们的系统中起至关重要作用的原子之间的光子介导相关性，通常在传统量子光学理论中被忽略。另一方面，原子的有序阵列，通过将超冷原子加载到光学晶格中而制成的分子，主要用于研究凝聚态模型的量子模拟，但现在它也成为研究新的量子光学现象的有力平台。”
沿着这个研究结果进行进一步的研究可以加深对光-物质相互作用的量子理论，具有光子的多体物理学的基本理解，并使更高效的量子器件得以工程应用化。
量子光力学（quantum optomechanics）
两位中国学者说，“许多新的令人兴奋的机会已经打开，例如研究量子光力学（quantum optomechanics）的有趣方法，这是使用机械设备研究光的量子本质的一个不断发展的领域。或者，我们的工作还可以帮助创建更好的量子存储器，甚至可以建立量子可切换的光学镜。” “这两项都是量子信息处理，对于通往更高效量子设备方式来说是具有相当潜力的进展。”
通常镜子利用高度抛光的金属表面或特殊涂层的光学眼镜，以提高性能在较小的重量。但MPQ的物理学家们现在首次证明，即使是由几百个原子组成的单一结构层也能形成一面光学镜子，使之成为人们所能想到的最轻的一面镜子。
这种新镜子只有几十纳米薄，比人类头发丝的宽度还要薄1000倍。然而，它的反射是如此强烈，甚至可以被纯人类的眼睛看到。通常，镜子利用高度抛光的金属表面或特殊涂层的光学眼镜，以提高性能在较小的重量。
但MPQ的物理学家们现在首次证明，即使是由几百个原子组成的单一结构层也能形成一面光学镜子，使之成为人们所能想到的最轻的一面镜子。这种新镜子只有几十纳米薄，比人类头发丝的宽度还要薄1000倍。然而，它的反射是如此强烈，甚至可以被纯人类的眼睛看到。
这种镜子用二维排列的相同原子来工作。它们以一种规则的模式排列，间距小于原子的光学跃迁波长，这是超材料的典型和必要的特征。
超材料是人工设计的结构，具有非常特殊的性质，而这些性质在自然环境中很少被发现。它们的特性不是由它们的材料获得的，而是由它们被设计的特定结构获得的。
这种新型光学镜的特性——规则图案和亚波长间距——以及它们之间的相互作用是其背后的两个关键原理。
首先，原子的规则图案和亚波长间距都抑制了光的漫射散射，将反射束成单向稳定的光束。其次，由于原子之间的距离相对较近且离散，入射光子在被反射之前可以在原子之间多次反弹。
这两种效应，光的被抑制散射和光子的反弹，导致了“对外部场的增强合作响应”，在这种情况下意味着：非常强的反射。
直径约7微米的镜子本身非常小，远远超出了视觉识别。然而，制造这种装置的装置是巨大的。与其他量子光学实验完全一样，它有超过一千个光学元件，重约两吨。因此，这种新颖的材料几乎不会影响人们日常使用的商品镜子。另一方面的科学影响可能是深远的。
结果让研究员们非常兴奋。在典型的稀体系综中，在以往的系统中起重要作用的原子之间的光子介导的相关性在传统量子光学理论中通常被忽略。
另一方面，将超低温原子加载到光学晶格中所形成的有序原子阵列主要用于研究凝聚态模型的量子模拟。但现在它也被证明是一个研究新的量子光学现象的强大平台。
这对量子信息处理来说是十分重要的进步，沿着这条线索进行进一步的研究，可以加深对光与物质相互作用的量子理论的基本理解，利用光子的多体物理，并使更高效的量子器件的工程成为可能。
