美国斯坦福大学用共振纳米天线减缓和控制光速

美国斯坦福大学研究人员展示了一种可以极大减缓光线速度的新方法,就像回声室抓住声音一样,可随意引导光线;已经设计出超薄硅纳米天线,可以捕捉和重定向光,应用于量子计算激光雷达甚至是病毒检测。研究成果8月17日发表在《自然-纳米技术》。

美国斯坦福大学用共振纳米天线减缓和控制光速
高Q元表面分光器的艺术渲染图。这些“高质量因子”谐振器可以带来控制和使用光的新方法

需求背景

光的速度对于快速信息交流至关重要,但当光在材料中飞驰时,它与原子和分子相互作用和激发原子和分子的机会非常小。如果科学家们能够对光粒子或光子进行制动,就会为一系列新技术应用打开大门。

论文的主要作者、博士后Mark Lawrence说:“我们本质上是想把光困在一个小小的盒子里,这个盒子仍然允许光从许多不同的方向来去。在一个有许多面的盒子里捕捉光线很容易,但如果侧面是透明的–就像许多基于硅的应用那样,就不那么容易了。”

核心进展

斯坦福大学材料科学与工程副教授Jennifer Dionne实验室的研究人员将超薄硅芯片制成纳米级的条状物,以共振方式捕捉光线,之后再释放或重新引导。这些“高质量因子”或“高Q”谐振器可以带来操纵和使用光的新方法,包括量子计算、虚拟现实和增强现实的新应用,基于光的WiFi,甚至是SARS-CoV-2等病毒检测。

制造实现

在能够操纵光线之前,需要先制造出共振器,这就提出了一些挑战。该器件的核心部件是一层极薄的硅,能非常有效地捕捉光线,并且在近红外光谱中的吸收率很低,这是科学家们想要控制的光线光谱。研究人员将电子显微镜的“笔”放入其中,以蚀刻他们的纳米天线图案,而硅则置于透明材料(本例中为蓝宝石)的晶片之上。图案必须绘制得尽可能平滑,因为这些天线在回声室的作用中就像墙壁一样,不完美的地方会抑制捕光能力。

研究平台/共享设施的高级副教务长Dionne说:“高-Q共振需要创建极其光滑的侧壁,不允许光泄漏出来。通过较大的微米级结构相对容易地实现,但对于散射光更多的纳米结构来而言非常具有挑战性。”

图案设计在创造高Q值纳米结构中起着关键作用。Lawrence说:“在计算机上,我可以画出任何给定几何形状的超光滑线条和块,但制造能力受限,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。”

高质量(系数)应用

Dionne和Lawrence将精心的图案设计描述为一项重要的平台技术,具有众多的实际应用。这些器件表现出所谓的质量因子高达2500,这比以前任何类似的器件都要高两个数量级(或100倍)。质量因子是一种描述共振行为的措施,在这种情况下与光的寿命成正比。Dionne说:“通过实现数千的质量因子,我们已经从一些非常令人兴奋的技术应用中获得了不错的益处。”如生物传感,单个生物分子非常小,基本上是看不见的,但将光在分子上传递数百次或数千次,可以大大增加产生可检测散射效应的机会。

Dionne的实验室正在努力将这种技术应用于检测COVID-19抗原和抗体。Dionne说:“我们的技术会给出像医生和临床医生习惯看到的光学读数,但我们有机会检测单一的病毒或非常低浓度的多种抗体,因为光分子相互作用很强。”高Q值纳米共振器的设计还允许每个天线独立工作,同时检测不同类型的抗体。

虽然大流行病激发了她对病毒检测的兴趣,但Dionne也对其他应用感到兴奋,比如LIDAR–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距离测量技术–这项新技术可以为其做出贡献。Dionne说:“几年前,我无法想象这项工作会触及到巨大的应用空间。对我来说,这个项目加强了基础研究的重要性–你无法总是预测基础科学的发展方向,也无法预测它将导致什么,但它可以为未来的挑战提供关键的解决方案。”

这种创新也可以在量子科学中发挥作用。例如,将光子分裂,创造出即使相隔很远也能在量子水平上保持连接的纠缠光子,通常需要用昂贵的精密打磨的大晶体进行大型桌面光学实验。Lawrence说:“如果我们能做到这一点,但利用我们的纳米结构来控制和塑造这种纠缠光,也许有一天我们会有一个可以拿在手里的纠缠发生器。有了我们的成果,我们很兴奋地看着现在可以实现的新科学,但同时也在尝试突破可能的极限。”

资金支持

工作得到了DOE-EFRC“热力学极限的光子学”以及AFOSR的资助。[大国重器高端电子元器件]

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