Dipole-dipole interactions (V_dd) between closely spaced atoms and molecules are related to real photon and virtual photon exchange between them and decrease in the near field connected with the characteristic Coulombic dipole field law. The control and modification of this marked scaling with distance have become a long-standing theme in quantum engineering since dipole-dipole interactions govern Van der Waals forces, collective Lamb shifts, atom blockade effects, and Förster resonance energy transfer. We show that metamaterials can fundamentally modify these interactions despite large physical separation between interacting quantum emitters. We demonstrate a two orders of magnitude increase in the near-field resonant dipole-dipole interactions at intermediate field distances (10 times the near field) and observe the distance scaling law consistent with a super-Coulombic interaction theory curtailed only by absorption and finite size effects of the metamaterial constituents. We develop a first-principles numerical approach of many-body dipole-dipole interactions in metamaterials to confirm our theoretical predictions and experimental observations. In marked distinction to existing approaches of engineering radiative interactions, our work paves the way for controlling long-range dipole-dipole interactions using hyperbolic metamaterials and natural hyperbolic two-dimensional materials.

中文翻译：

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双曲线超材料中远距离偶极-偶极相互作用的观察。

偶极-偶极相互作用（V _dd紧密排列的原子和分子之间的）与它们之间的实际光子和虚拟光子交换有关，并且在与特有库仑偶极子场定律有关的近场中减小。由于偶极子-偶极子相互作用控制着范德华力，集体兰姆位移，原子阻滞效应和福斯特共振能量转移，因此随着距离的这种显着缩放比例的控制和修改已成为量子工程中长期存在的主题。我们表明，尽管相互作用的量子发射器之间存在较大的物理距离，但超材料可以从根本上改变这些相互作用。我们证明了在中间场距离（近场的10倍）处，近场共振偶极子-偶极子相互作用增加了两个数量级，并观察到距离缩放定律与仅由吸收和有限尺寸限制的超库仑相互作用理论相符超材料成分的影响。我们开发了超材料中多体偶极-偶极相互作用的第一性原理数值方法，以确认我们的理论预测和实验观察结果。与现有的工程辐射相互作用方法明显不同，我们的工作为使用双曲线超材料和天然双曲线二维材料控制远程偶极-偶极相互作用铺平了道路。我们开发了超材料中多体偶极-偶极相互作用的第一性原理数值方法，以确认我们的理论预测和实验观察结果。与现有的工程辐射相互作用方法明显不同，我们的工作为使用双曲线超材料和天然双曲线二维材料控制远程偶极-偶极相互作用铺平了道路。我们开发了超材料中多体偶极-偶极相互作用的第一性原理数值方法，以确认我们的理论预测和实验观察结果。与现有的工程辐射相互作用方法明显不同，我们的工作为使用双曲线超材料和天然双曲线二维材料控制远程偶极-偶极相互作用铺平了道路。