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光学与纳米技术的“浪漫联姻”

2018-12-24 09:15来源:《中国科学报》

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  ■见习记者 程唯珈

  利用光的折射,我们佩戴眼镜来矫正视力,看清物体;使用望远镜、显微镜来拓宽视野,上观星空,下察纤毫。

  统计表明,人类获取的信息有80%以上通过光学获得。与此同时,在先进制造技术的推动下,人类能够控制和利用的物质结构进入到纳米尺度,产生了纷繁多样的纳米技术。试想一下,当变幻莫测的光学遇上了“锱铢必较”的纳米技术,将会碰撞出怎样的火花?

  在12月4-5日召开的以“纳米光子学材料”为主题的第Y3次香山科学会议上,与会专家纷纷为这对“佳偶”的发展带来了最新研究成果与建设性意见。

  当光遇上纳米技术

  20世纪60年代,随着激光和光纤的发明,光子学应运而生。

  智能手机就是光子学重要性的经典例证:人们利用激光制造手机外壳;利用光刻技术制造微电子电路......

  伴随着现代微纳米加工技术的不断发展,科学家拥有了在纳米尺度上操纵光子的前所未有的能力,衍生出了纳米光子学这一交叉学科。纳米光子学主要研究在纳米尺度上光与物质的相互作用,并在纳米尺度对光的散射、透射、吸收、折射、量子态等进行调控。

  此次会议执行主席之一、国家纳米科学中心研究员戴庆介绍,当材料的尺寸缩小到纳米尺度后,会产生许多新奇的光电效应。“例如出现量子限域效应,可以通过改变纳米结构的尺寸来调节量子点的发光;利用纳米结构能够在亚波长尺度对光进行调控,如对不同频率的光具有不同的透射、反射,从而产生类似孔雀羽毛的结构色;同时,在金属纳米结构上可以激发出等离激元,突破光的衍射极限。”

  “这是场浪漫的邂逅,当光学遇到纳米技术会产生不一样的物理反应。”本次会议执行主席之一、南京大学现代工程与应用科学学院教授李涛表示,两者的结合将极大增强光与物质的相互作用,有望实现光子学器件的小型化、构建超级透镜、实现负折射和光学隐身、获得超灵敏检测等,并为下一代信息获取、处理、传输等相关技术提供新的途径。

  光学的“纳米尺度”进化

  纳米尺度通常定义为1~100纳米,1纳米是十亿分之一米。在光子学领域,正在研究的光波长尺度大约是百纳米到1微米(1000纳米)。在小于光波长的尺度上开展光与物质相互作用的研究并了解其背后的物理机制非常重要。

  其中,以金属纳米结构的光学性质为核心发展起来的表面等离激元光子学最令人瞩目。表面等离激元是材料中的电子被激发后以光频集体振动,以波的形式沿材料表面传播的一种元激发。类似于石头抛在水中会激起水波沿水面传播。

  “光场的局域增强和亚波长束缚的传播是在纳米尺度上实现对光的操控的两个核心基础。”武汉大学物理科学与技术学院教授、中国科学院院士徐红星介绍。例如,成对的金属纳米颗粒在光场的作用下能够产生强烈的表面等离激元共振,驱动金属颗粒上的自由电子通过纳米间隙产生电磁耦合,将特定频率的光束缚在极其微小的空间中,产生巨大的电磁场增强效应,是单分子灵敏度的表面增强拉曼光谱的原因。

  研究还发现表面等离激元在光的驱动下呈现出克服光学衍射极限的传播模式,金属纳米线表面等离激元非常敏感地依赖于纳米波导的结构、介电环境和激发方式,并可以呈现手性传播。

  中科院物理所研究员魏红介绍,利用纳米线上的传播型表面等离激元,可以区分耦合体系中激子的不同能量衰减通道,包括产生表面等离激元、辐射为光子和非辐射损耗。在金属纳米线和量子点耦合体系中,量子点可以作为近场探针实现对表面等离激元的探测,反过来,量子点发光可以用来激发单个等离激元。

  “光”明的未来

  纳米光子学应用前景广阔,比如光学超分辨成像、生物医学传感、固体照明、显示、光通信、半导体制造和太阳能电池等,其已成为国际研究热点,欧盟专门成立了欧洲纳米光子学协会。

  北京大学物理学院研究员马仁敏指出,等离激元纳米激光器相较于传统激光器具有更小的物理尺寸、更快的调制速度、更低的阈值与功耗,在包括芯片上光互联、传感与探测、生物探针、标记示踪与成像、辐射光场调控等方向都可应用。

  北京大学物理学院研究员刘开辉介绍了球差校正透射电镜与超快光谱学结合的技术。“我们利用该技术研究了一维碳纳米管、二维原子层材料体系中一些低维物理和超快动力学过程问题。”

  “纳米光子学将与量子信息领域相结合,为量子态的制备、量子信息器件的设计及片上集成提供新的基础,在光催化、精密传感等领域的不断突破也有望为下一代变革性技术的研发铺平道路。”谈及纳米光子学的发展,徐红星如是说。程唯珈

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