纳米光子学：破译光子与物质间“悄悄话”

2018年12月20日  来源：科技日报

在纳米尺度下，光子与物质之间会发生什么奇妙的反应？破译它们之间的“悄悄话”，会对科技带来哪些革新？近日召开的第Y3次香山科学会议（第3次青年学术讨论会）以“纳米光子学材料”为主题，主要关注的就是这些话题。

在纳米尺度下操纵光

“随着现代微纳米加工技术和光学技术的不断发展，近20年来，纳米光子学在世界范围内得到迅猛发展，展现出强大的生命力。”中科院院士、武汉大学物理科学与技术学院教授徐红星介绍。

所谓纳米光子学，是以纳米尺度下的光与物质相互作用机理及应用为核心的交叉学科。

国家纳米科学中心纳米光子学研究部研究员戴庆接受科技日报记者采访时介绍，纳米光子学技术主要研究纳米尺度上对光的操纵，能够突破光的衍射极限并对光的发射、吸收等性能进行更精细的调控。因此这种技术在高灵敏检测、传感、LED、太阳能电池和通讯等领域有巨大的应用潜力。

纳米光子学领域的研究涵盖广泛，主要包括纳米光子学材料生长、纳米结构的组装和加工制备，以及表面等离激元、光子晶体、超快光谱、近场光学表征的材料、机理、表征方法、器件和应用等。

诸多奇特的物理效应

“当材料的尺寸缩小到纳米尺度后，会产生许多新奇的物理效应。”中科院物理所研究员魏红告诉记者。

量子限域效应就是其中之一。利用这种效应，科研人员可以通过改变纳米结构例如量子点的尺寸来调节其发光波长。

再比如，科研人员可以利用纳米结构在亚波长尺度对光进行调控，使不同频率的光具有不同的透射、反射等，从而产生结构色，例如一些鸟类羽毛的颜色。

此外，在金属纳米结构上可以激发出表面等离激元，能够突破光的衍射极限，将光场压缩到纳米尺度并增强局域光场的强度。

“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。”戴庆解释说。

徐红星告诉记者，表面等离激元可以将光场束缚在远小于光的波长的空间范围内，实现名副其实的纳米光子学。当前，它已在诸多方面展现出巨大的应用前景。

例如，基于表面等离激元实现的亚波长光波导、分光器、调制器、激光器、探测器等功能单元正逐步完备，以金属纳米结构作为光学天线进行光能转换用于癌症热疗、海水淡化、增强催化等方面也崭露头角。

“另一方面，以人工微结构、人工‘原子’或‘分子’为单元构筑的超构材料、超构表面也是推动纳米光子学发展的重要力量。它们具有超透射、负折射、隐身等奇异的光学现象，将光学研究带入一个新的方向。”南京大学现代工程与应用科学学院教授李涛说。

可与量子信息技术强强联手

“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；纳米光子学在光催化、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。”徐红星介绍。

在徐红星看来，纳米光子学技术是影响国家未来核心竞争力的重要战略研究方向之一，也是新经济增长点的支撑技术之一。拥有纳米光子学技术知识产权并推广这些技术，将有力提升我国在经济和国防安全等领域一些关键点的竞争优势。

北京大学物理学院研究员施可彬告诉记者，近年来随着纳米材料和结构的设计和制备技术、先进光学表征手段等的快速发展，以及人才队伍的不断扩充，我国在纳米光子学领域取得了一系列重要的原创性成果，在若干个重要研究方向上已经达到国际一流水平。

“目前在纳米光子学领域，无论是在基本理论还是实用化方面，仍然面临着许多难题。”徐红星说。

等离激元领域的能量损耗就是其中一个关键问题，限制了等离激元纳米光波导和其他纳米光子学器件的应用。科研人员一方面在尝试解决损耗的问题，另一方面也在尝试怎么利用等离激元的损耗来设计新型器件。（本报记者 刘园园）