撰稿|由课题组供稿
人类世界形形色色的物质和材料其基本的组成单元为原子，对这些物质和材料的各种物理、化学和生物学宏观性质的理解，可以追溯到其组成原子的物理和化学特性。电磁学、电动力学和光学是描述电磁波在不同介质中的辐射、传输、探测、接收及其他相关过程的物理学分支。这些介质包括真空、空气、水、玻璃、晶体、电缆、光纤等，这些可以是透明或不透明、均匀介质或非均匀介质、各向同性或各向异性材料。在过去的几个世纪中，电磁学的物理概念、规则、定理和理论已经相当成熟，许多经典电磁学、电动力学和光学的标准教科书都有详细介绍。电磁学的基础是描述电荷和电流作用下电场和磁场演变的麦克斯韦方程组。在这种宏观模型的框架内，所有电磁现象都发生在连续介质中，除了两种介质之间的界面之外，原子/分子的离散性完全不存在、不予以考虑。介质的电磁特性完全由极化率 𝜒、介电常数 𝜀和折射率n等唯象连续函数来描述。很长一段时间，人们一直假定这种宏观电磁学模型具有完美的精确性，不存在任何问题。然而，在任何电磁介质中，表面和界面都存在，原子/分子的离散性预计会在这些表面/界面的原子/分子周围和内部的电磁场和电磁波中显现出来。
在过去四十年来，随着纳米光子学的蓬勃发展，人们不可避免地、并越来越多地接触、聚焦、深入了解、理解纳米颗粒、结构和器件的表面电磁学和光学性质，一个典型的案例为等离激元光子学。显而易见，这些纳米体系表面/界面离散原子/分子的电磁和光学特性会更多、更大地彰显出来。另外，近二十年来，对二维材料的研究方兴未艾。常规二维材料样品因其整体的厚度远小于光波长，其表面/界面的电磁和光学特性获得了极大程度的彰显。原则上，传统的描述宏观物质和材料的连续函数：极化率 𝜒、介电常数 𝜀和折射率n将不再是能够精确描述这些纳米和二维材料体系的电磁学和光学性质的好物理量。在极端的情况下，这三个物理量甚至都没法有效地予以定义。这导致宏观电磁模型的预测和描述与实际情形存在一定差异（虽然定其量的差异度未知），特别是在表面/界面附近的原子和亚原子尺度上。由于宏观电磁模型的这种局限性，有必要发展一套超出经典连续介质电磁学和光学理论（该理论的核心和基础是连续介质麦克斯韦方程组）的范畴，并且能够同时涵盖微观原子尺度和宏观尺度物质和材料体系的电磁学和光学新理论方法和理论体系。
为解决这个重大的基础性物理问题，自2015年开始，李志远教授致力于思考和发展微观原子尺度的电磁场理论，于2022年获得突破，构建了一套有效沟通宏观世界光学和微观世界光学的原子尺度电磁理论。该理论的基本思路和构造框架如图1所示，首先认识到宏观物质由微观原子构成。对于晶体而言，沿着光和电磁波传播方向上，宏观物体可视为一层层的单原子层（每一层孤立而言可视为当今科学界十分热门、时髦的单层二维材料）堆叠而成，而且这些原子被视为镶嵌于真空背景之中。该理论的物理根基为基于真空背景（注意不是连续介质背景）的麦克斯韦方程组，其精确性毋庸置疑。在操作层面上，理论从单原子对光和电磁波的响应函数---原子体极化率
出发，按照原子水平平均场的原则，推导出二维材料单原子层对光和电磁波的整体响应函数---原子层线极化率
函数势垒。
理论首先将求解单原子层的真空麦克斯韦方程组转化为构建一维单原子层的传递矩阵，发现该矩阵是构建原子尺度电磁理论的基石。通过它，人们能够轻松地处理由单原子层堆叠而成的均匀介质的所有光传输性质，包括透射/反射系数、有效折射率和介电常数。理论做了一个重要的推广，考虑了光在具有原子层级缺陷的均匀介质和由多个化学性质不同的原子层组成的一般异质介质中传输的问题，发现其精髓在于能直接将不同二维材料原子层的单原子层传递矩阵组合起来，并将其纳入一维传递矩阵方法的框架中。理论还讨论了更加复杂、更加普遍的斜入射光穿过均匀和异质介质的光学问题，发现其核心仍然是构造单原子层传递矩阵，通过分别考虑TE和TM偏振，将三维电磁波问题转化为可使用一维传递矩阵法求解的简单问题。理论还考虑了一种极端情况，即光在单个或几个原子层的二维平面内横向传播及局域化问题。对于一个光学的基本问题：光是否能被限制和局域在厚度比光的波长小几个数量级的单原子层或多原子层内，理论给出了正面的回答。
为展示原子尺度电磁理论的效能，文章考虑了一些计算示例，以演示如何使用所构建的原子尺度电磁理论的这套方法来描述光在单原子层、由任意层数组成的均匀介质板、具有原子层缺陷的均匀介质、以及由多种化学类型的原子层组成的异质介质中的透射或反射。文章还进一步广泛地讨论了在所发展的原子尺度电磁理论框架内无法完全解决的几个重要问题。其中一个问题是原子体极化率和原子层线极化率的确定，这可以在量子力学框架内计算，也可以通过精心设计的实验来测量。另一个问题是如何将已发展的原子尺度电磁理论从简单的单元素材料扩展，以处理更加复杂的多元素化合物材料中的光学问题。总的来说，所发展的原子尺度电磁理论提供了一种从原子层面理解材料微观和宏观光学性质的方法。该理论可以轻松地处理光在单层和多层同质和异质二维材料的传播问题，无论这些材料是否有原子层缺陷，因此它有望涵盖非常广泛的微观光学问题，将填补微观世界中光学和电磁学的巨大空白和空缺。希望该理论能够为广大的二维材料研究者提供一个了解、理解和计算各种二维材料光学性质的有效方法和工具。
通过麦克斯韦方程组求解传统的光学问题需要知道介电常数和折射率这些物理参数，然而，对于厚度远小于光波长的纳米结构和二维材料而言，折射率和介电常数并非好的物理参数。因此，原子尺度电磁理论提供了一个超越以连续介质麦克斯韦方程组为核心的经典光学、电磁学和电动力学的理论范例。值得指出的是，该理论还可以拓展，处理二维和三维纳米颗粒和纳米器件等微纳尺度光学问题。目前的理论研究成果将为进一步建立一整套宏观和微观、经典和量子相统一的光和物质相互作用理论，为进一步构建契合原子尺度光场传播和演化行为、超越连续介质麦克斯韦方程组所描述的电磁场传播和演化行为的电磁学、电动力学和光学理论体系提供了扎实的研究基础和有益思路，并有望为推进这个物理学重大基础问题的进一步深入研究及其最终解决开辟了一条行之有效的路线图。该理论研究成果近期已发表在一篇20页长篇论文Chin. Phys. B 32, 104211 (1-20)(2023)上。另外，为方便国内读者更好的阅读理解，准确地获取精细的物理思想和数学处理方法，李志远教授和几位学生陈剑锋、纪子韬和张简智花费了大量精力将该英文论文翻译成中文文本。同时，中文长篇论文也对英文文章中因期刊编排和作者审校等等原因所造成的一些印刷文字和图表差错做了详细的勘误和更正，以期更加完整、更加准确地将该原子尺度电磁理论呈现给读者。英文版的期刊论文和中文翻译论文的电子版PDF文件一并可以下载，对于年轻读者来说，两者对照阅读，效果更佳，还是母语交流方便顺遂啊！在此，感谢两江评论这个交流平台。（扫描下方二维码即可查阅）
值得指出的是，CPB编辑部按照自己的版面编排风格对作者的投稿原始论文的图像、公式和文字做了大幅度的修改，难免造成一些理解上的偏差（偏离了作者的原意），这是作者所始料不及的。由于论文篇幅很长，20页，公式繁多，作者也放松了警惕，没有逐字逐句、每个公式、每张图予以认真细致的勘校，结果造成了许多误会。当CPB论文2023年10月份正式发表后（线上电子版本和线下纸质版本同时出版），作者再次仔细阅读论文，才发现不少错误。联系CPB编辑部，发现已经没有办法在电子版上直接修改，而只能通过正式的勘误文章（Erratum）予以更正，实在是一个深深的遗憾。在这里强烈呼吁期刊编辑部工作人员应该充分尊重作者的写作风格，避免做大刀阔斧的改变。感谢两江评论提供了这样一个平台，让作者有机会对许多情况予以清楚的说明，以免造成误会。
图一 连接微观世界和宏观世界光学的原子尺度电磁理论示意图。
图1. (a) 宏观光学晶体介质，由真空中的离散原子作为基本构件三维堆叠构成。(b) 沿着光的传输方向，这种介质可被视为由单个原子层一维周期性堆叠构成。(c) 每个原子层的光学响应可模拟为表示为局域电场感应极化电荷和极化电流的δ函数。(d) 整个介质可以模拟为多个δ函数的周期性叠加。
图二 根据原子尺度理论和经典光学理论求解宏观平板的示意图
图2. (a) 原子尺度理论，(b) 经典光学理论。
图三 具有原子层缺陷的均匀介质和由一系列不同原子层逐层堆叠而形成的异质介质的示意图
图3. (a) 含原子层缺陷（灰色区域）的均匀介质（绿色区域）示意图。(b) 异质介质示意图。一个周期内有三个不同的原子层（蓝色、橙色和绿色区域）。
图四 在传递矩阵法的框架内，通过δ函数极化电荷和表面电流表示光通过单原子层传播的示意图
图4. (a) TE 偏振光相对于原子层以任意角度斜入射的情况。(b) TM 偏振光相对于原子层以任意角度斜入射的情况。在这两种情况下，入射角为 θ且等于折射角，整个模型可以看作二维光学问题。
图五 局域表面态。TE偏振光和TM偏振光示意图
图5. (a)TE偏振光，(b)TM偏振光。
图六 原子尺度理论和经典光学理论下宏观金刚石板的透射率示意图
图6. 红色实线和蓝色虚线分别由经典光学理论和原子尺度理论计算得出。图中(a)和(b)为不同层数的透射光谱：(a) 0-10层，(b) 0-100层。单原子层厚度为0.375 nm，原子极化率为1.82 nm，入射波长为1550nm。
图七 具有原子层缺陷的均匀石墨烯介质示意图
图7. (a) 含原子层缺陷的非均匀介质示意图。缺陷原子层是
的真空（灰色区域）。(b) 和 (c) 无原子层缺陷和有不同层数原子层缺陷的均匀介质的透射光谱。红色实线和蓝色虚线分别为无原子层缺陷和有原子层缺陷时的透射率曲线。(b) 10层中有2层（第5和第6层）缺陷和 (c) 100层中有20层（从第41层到第60层）缺陷。入射光波长为 1550 nm。
图八 由一系列不同原子层逐层堆叠而成的异质介质示意图、透射光谱图
图8. (a) 异质介质示意图。一个周期内有四个不同的原子层。它们原子层的厚度分别为
这项研究工作得到广东省创新创业科研团队计划（2016ZT06C594）、广东省科技计划项目（2020B010190001）、国家重点研发计划（2018YFA 0306200）和国家自然科学基金（项目编号11974119）的资助。
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研究团队简介
由华南理工大学国家杰青、世界高被引科学家李志远教授领衔的“人工光、声微结构实验室”研究团队目前有5位教授，4位副教授，以及42位硕士、博士研究生和博士后研究人员。团队主要从事微纳光子学及其与非线性光学、激光技术、光物理、量子物理交叉，以及光子/声子晶体及光学/声学超材料与拓扑物理交叉等国际前沿及国家需求重要领域的理论、实验和应用研究。团队多篇论文入选ESI热点论文及高被引论文。先后承担广东省引进创新创业团队重大项目，科技部重点研发项目课题，国家基金委重点、面上和青年项目，广东省重点研发项目及广东省杰青项目等近20项。
