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)之間會發(fā)生什么奇妙的反應(yīng)?破譯它們之間的“悄悄話”，會對科技帶來哪些革新?近日召開的第Y3次香山科學會議(第3次青年學術(shù)討論會)以“納米光子學材料”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)和光學技術(shù)的不斷發(fā)展，近20年來，納米光子學在世界范圍內(nèi)得到迅猛發(fā)展，展現(xiàn)出強大的生命力。”中科院院士、武漢大學物理科學與技術(shù)學院教授徐紅星介紹。

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

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

納米光子學領(lǐng)域的研究涵蓋廣泛，主要包括納米光子學材料生長、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、近場光學表征的材料、機理、表征方法、器件和應(yīng)用等。

諸多奇特的物理效應(yīng)

“當材料的尺寸縮小到納米尺度后，會產(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)例如量子點的尺寸來調(diào)節(jié)其發(fā)光波長。

再比如，科研人員可以利用納米結(jié)構(gòu)在亞波長尺度對光進行調(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，將光場壓縮到納米尺度并增強局域光場的強度。

“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，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束縛在遠小于光的波長的空間范圍內(nèi)，實現(xiàn)名副其實的納米光子學。當前，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現(xiàn)的亞波長光波導、分光器、調(diào)制器、激光器、探測器等功能單元正逐步完備，以金屬納米結(jié)構(gòu)作為光學天線進行光能轉(zhuǎn)換用于癌癥熱療、海水淡化、增強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)表面也是推動納米光子學發(fā)展的重要力量。它們具有超透射、負折射、隱身等奇異的光學現(xiàn)象，將光學研究帶入一個新的方向。”南京大學現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學學院教授李濤說。

可與量子信息技術(shù)強強聯(lián)手

“納米光子學將與量子信息領(lǐng)域相結(jié)合，為量子態(tài)的制備、量子信息器件的設(shè)計及片上集成提供新的基礎(chǔ);納米光子學在光催化、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，納米光子學技術(shù)是影響國家未來核心競爭力的重要戰(zhàn)略研究方向之一，也是新經(jīng)濟增長點的支撐技術(shù)之一。擁有納米光子學技術(shù)知識產(chǎn)權(quán)并推廣這些技術(shù)，將有力提升我國在經(jīng)濟和國防安全等領(lǐng)域一些關(guān)鍵點的競爭優(yōu)勢。

北京大學物理學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)計和制備技術(shù)、先進光學表征手段等的快速發(fā)展，以及人才隊伍的不斷擴充，我國在納米光子學領(lǐng)域取得了一系列重要的原創(chuàng)性成果，在若干個重要研究方向上已經(jīng)達到國際一流水平。

“目前在納米光子學領(lǐng)域，無論是在基本理論還是實用化方面，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關(guān)鍵問題，限制了等離激元納米光波導和其他納米光子學器件的應(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)計新型器件。

關(guān)鍵詞：