科学家用共振纳米天线减速和操控光线

光速是出了名的快。它的速度对于快速信息交换是至关重要的，但随着光线在材料中穿梭，它与原子和分子相互作用和激发的机会可能会变得非常小。如果科学家们能够对轻粒子或光子踩刹车，这将为一系列新技术的应用打开大门。现在，在8月17日发表在“自然纳米技术”(Nature Nanotechnology)上的一篇论文中，斯坦福大学的科学家们展示了一种显著减缓光的新方法，就像回音室抓住声音一样，并随意引导它。斯坦福大学材料科学与工程副教授詹妮弗·迪翁(Jennifer Dionne)实验室的研究人员将超薄硅片结构成纳米级的条形，以共振捕获光线，然后将其释放或重新定向。这些高品质的谐振器可能带来操纵和利用光的新方式，包括量子计算、虚拟现实和增强现实的新应用；基于光的WiFi；甚至检测像SARS-CoV-2这样的病毒。

这篇论文的主要作者、博士后研究员马克·劳伦斯(Mark Lawrence)说，我们本质上是在试图将光线捕获在一个小盒子里，这个盒子仍然可以让光线从许多不同的方向来回穿梭。在一个有多个侧面的盒子里很容易捕捉光线，但是如果侧面是透明的，就不那么容易了--就像许多基于硅片的应用一样。

在它们能够操控光之前，需要制造谐振器，这带来了许多挑战。

该设备的一个中心组件是一层极薄的硅层，它非常有效地捕捉光线，在近红外(科学家们想要控制的光谱)中的吸收很低。硅位于透明材料(在这种情况下是蓝宝石)的晶片上，研究人员将电子显微镜引导到晶片中来蚀刻他们的纳米天线图案。必须尽可能平滑地绘制图案，因为这些天线在回音室的类比中充当墙壁，而缺陷会抑制光捕获能力。

研究平台/共享设施高级副教务长Dionne说，高Q共鸣需要创建非常平滑的侧壁，不让光线泄漏出来。对于更大的微米级结构，这可以相当常规地实现，但对于散射更多光的纳米结构来说，这是非常具有挑战性的。

图案设计在制造高Q纳米结构中起着关键作用。劳伦斯说：在电脑上，我可以画出任何给定几何形状的超光滑的线条和积木，但制作是有限的。最终，我们必须找到一种设计，既能提供良好的光捕捉性能，又能在现有制造方法的范围内。

修修补补的设计已经产生了Dionne和Lawrence所说的具有大量实际应用的重要平台技术。

这些设备展示了高达2500的所谓品质因数，比之前任何类似设备都高出两个数量级(或100倍)。品质因数是描述共振行为的量度，在这种情况下，品质因数与光的寿命成正比。迪翁说，通过达到数千倍的质量因素，我们已经从一些非常令人兴奋的技术应用中获得了一个很好的甜蜜点。

例如，生物传感。单个生物分子是如此之小，以至于它基本上是看不见的。但是，光通过分子数百次或数千次会极大地增加产生可检测到的散射效应的机会。

迪翁的实验室正致力于将这项技术应用于检测新冠肺炎抗原(触发免疫反应的分子)和抗体(免疫系统产生的应答蛋白)。迪翁说，我们的技术将提供光学读数，就像医生和临床医生习惯看到的那样。但是由于强烈的光-分子相互作用，我们有机会检测单个病毒或极低浓度的多种抗体。高Q纳米谐振器的设计还允许每个天线独立操作，同时检测不同类型的抗体。

虽然大流行激发了她对病毒检测的兴趣，但Dionne也对这项新技术可能有助于的其他应用感到兴奋，例如LIDAR-或光检测和测距，这是一种经常用于自动驾驶车辆的基于激光的测距技术。迪翁说：几年前，我无法想象这部作品会涉及到如此广阔的应用空间。对我来说，这个项目强化了基础研究的重要性--你不能总是预测基础科学将走向何方，或者它将导致什么，但它可以为未来的挑战提供关键的解决方案。

这一创新在量子科学中也可能有用。例如，分裂光子以产生纠缠光子，即使在相隔很远的情况下，这些光子仍然在量子水平上保持连接，这通常需要对昂贵的大型精确抛光晶体进行大型桌面光学实验。劳伦斯说：如果我们能做到这一点，但用我们的纳米结构来控制和塑造这种纠缠，也许有一天我们会有一个纠缠发生器，你可以拿在手里。有了我们的结果，我们很高兴能看到现在可以实现的新科学，同时也在努力突破可能实现的极限。更多信息，请参阅马克·劳伦斯等人的文章。高品质因数位相梯度超表面，“自然纳米技术”(2020)。电话：10.1038/s41565-020754-x