在納米尺度下操縱光 破譯光子與物質(zhì)間“悄悄話”

在納米尺度下，光子與物質(zhì)之間會(huì)發(fā)生什么奇妙的反應(yīng)?破譯它們之間的“悄悄話”，會(huì)對(duì)科技帶來哪些革新?近日召開的第Y3次香山科學(xué)會(huì)議(第3次青年學(xué)術(shù)討論會(huì))以“納米光子學(xué)材料”為主題，主要關(guān)注的就是這些話題。

在納米尺度下操縱光

“隨著現(xiàn)代微納米加工技術(shù)和光學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，近20年來，納米光子學(xué)在世界范圍內(nèi)得到迅猛發(fā)展，展現(xiàn)出強(qiáng)大的生命力。”中科院院士、武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授徐紅星介紹。

所謂納米光子學(xué)，是以納米尺度下的光與物質(zhì)相互作用機(jī)理及應(yīng)用為核心的交叉學(xué)科。

國(guó)家納米科學(xué)中心納米光子學(xué)研究部研究員戴慶接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)介紹，納米光子學(xué)技術(shù)主要研究納米尺度上對(duì)光的操縱，能夠突破光的衍射極限并對(duì)光的發(fā)射、吸收等性能進(jìn)行更精細(xì)的調(diào)控。因此這種技術(shù)在高靈敏檢測(cè)、傳感、LED、太陽能電池和通訊等領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用潛力。

納米光子學(xué)領(lǐng)域的研究涵蓋廣泛，主要包括納米光子學(xué)材料生長(zhǎng)、納米結(jié)構(gòu)的組裝和加工制備，以及表面等離激元、光子晶體、超快光譜、近場(chǎng)光學(xué)表征的材料、機(jī)理、表征方法、器件和應(yīng)用等。

諸多奇特的物理效應(yīng)

“當(dāng)材料的尺寸縮小到納米尺度后，會(huì)產(chǎn)生許多新奇的物理效應(yīng)。”中科院物理所研究員魏紅告訴記者。

量子限域效應(yīng)就是其中之一。利用這種效應(yīng)，科研人員可以通過改變納米結(jié)構(gòu)例如量子點(diǎn)的尺寸來調(diào)節(jié)其發(fā)光波長(zhǎng)。

再比如，科研人員可以利用納米結(jié)構(gòu)在亞波長(zhǎng)尺度對(duì)光進(jìn)行調(diào)控，使不同頻率的光具有不同的透射、反射等，從而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色，例如一些鳥類羽毛的顏色。

此外，在金屬納米結(jié)構(gòu)上可以激發(fā)出表面等離激元，能夠突破光的衍射極限，將光場(chǎng)壓縮到納米尺度并增強(qiáng)局域光場(chǎng)的強(qiáng)度。

“表面等離激元是材料中的電子被激發(fā)后以光頻集體振動(dòng)，以波的形式沿材料表面?zhèn)鞑サ囊环N元激發(fā)。類似于石頭拋在水中會(huì)激起水波沿水面?zhèn)鞑ァ?rdquo;戴慶解釋說。

徐紅星告訴記者，表面等離激元可以將光場(chǎng)束縛在遠(yuǎn)小于光的波長(zhǎng)的空間范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)名副其實(shí)的納米光子學(xué)。當(dāng)前，它已在諸多方面展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。

例如，基于表面等離激元實(shí)現(xiàn)的亞波長(zhǎng)光波導(dǎo)、分光器、調(diào)制器、激光器、探測(cè)器等功能單元正逐步完備，以金屬納米結(jié)構(gòu)作為光學(xué)天線進(jìn)行光能轉(zhuǎn)換用于癌癥熱療、海水淡化、增強(qiáng)催化等方面也嶄露頭角。

“另一方面，以人工微結(jié)構(gòu)、人工‘原子’或‘分子’為單元構(gòu)筑的超構(gòu)材料、超構(gòu)表面也是推動(dòng)納米光子學(xué)發(fā)展的重要力量。它們具有超透射、負(fù)折射、隱身等奇異的光學(xué)現(xiàn)象，將光學(xué)研究帶入一個(gè)新的方向。”南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院教授李濤說。

可與量子信息技術(shù)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手

“納米光子學(xué)將與量子信息領(lǐng)域相結(jié)合，為量子態(tài)的制備、量子信息器件的設(shè)計(jì)及片上集成提供新的基礎(chǔ);納米光子學(xué)在光催化、精密傳感等領(lǐng)域的不斷突破也有望為下一代變革性技術(shù)的研發(fā)鋪平道路。”徐紅星介紹。

在徐紅星看來，納米光子學(xué)技術(shù)是影響國(guó)家未來核心競(jìng)爭(zhēng)力的重要戰(zhàn)略研究方向之一，也是新經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)的支撐技術(shù)之一。擁有納米光子學(xué)技術(shù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)并推廣這些技術(shù)，將有力提升我國(guó)在經(jīng)濟(jì)和國(guó)防安全等領(lǐng)域一些關(guān)鍵點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

北京大學(xué)物理學(xué)院研究員施可彬告訴記者，近年來隨著納米材料和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制備技術(shù)、先進(jìn)光學(xué)表征手段等的快速發(fā)展，以及人才隊(duì)伍的不斷擴(kuò)充，我國(guó)在納米光子學(xué)領(lǐng)域取得了一系列重要的原創(chuàng)性成果，在若干個(gè)重要研究方向上已經(jīng)達(dá)到國(guó)際一流水平。

“目前在納米光子學(xué)領(lǐng)域，無論是在基本理論還是實(shí)用化方面，仍然面臨著許多難題。”徐紅星說。

等離激元領(lǐng)域的能量損耗就是其中一個(gè)關(guān)鍵問題，限制了等離激元納米光波導(dǎo)和其他納米光子學(xué)器件的應(yīng)用。科研人員一方面在嘗試解決損耗的問題，另一方面也在嘗試怎么利用等離激元的損耗來設(shè)計(jì)新型器件。

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