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纳米光子学:破译光子与物质间之间的“悄悄话”

2018-12-20 14:53:37 中国经济网

在纳米标准下,光子与物质之间会发生什么美妙的反响?破译它们之间的“悄悄话”,会对科技带来哪些革新?近日举行的第Y3次香山科学会议(第3次青年学术讨论会)以“纳米光子学资料”为主题,主要重视的就是这些论题。

在纳米标准下操作光

“跟着现代微纳米加工技能和光学技能的不断开展,近20年来,纳米光子学在世界范围内得到迅猛开展,展现出强壮的生命力。”中科院院士、武汉大学物理科学与技能学院教授徐红星介绍。

所谓纳米光子学,是以纳米标准下的光与物质相互作用机理及使用为中心的交叉学科。

国家纳米科学中心纳米光子学研讨部研讨员戴庆承受科技日报记者采访时介绍,纳米光子学技能主要研讨纳米标准上对光的操作,能够打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。因此这种技能在高灵敏检测、传感、LED、太阳能电池和通讯等范畴有巨大的使用潜力。

纳米光子学范畴的研讨包括广泛,主要包括纳米光子学资料成长、纳米结构的拼装和加工制备,以及外表等离激元、光子晶体、超快光谱、近场光学表征的资料、机理、表征办法、器材和使用等。

许多独特的物理效应

“当资料的尺寸缩小到纳米标准后,会发生许多新奇的物理效应。”中科院物理所研讨员魏红告诉记者。

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

再比方,科研人员能够利用纳米结构在亚波长标准对光进行调控,使不同频率的光具有不同的透射、反射等,从而发生结构色,例如一些鸟类羽毛的色彩。

此外,在金属纳米结构上能够激起出外表等离激元,能够打破光的衍射极限,将光场压缩到纳米标准并增强局域光场的强度。

“外表等离激元是资料中的电子被激起后以光频团体振荡,以波的形式沿资料外表传达的一种元激起。类似于石头抛在水中会激起水波沿水面传达。”戴庆解释说。

徐红星告诉记者,外表等离激元能够将光场捆绑在远小于光的波长的空间范围内,实现当之无愧的纳米光子学。当时,它已在许多方面展现出巨大的使用前景。

例如,基于外表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’为单元构筑的超构资料、超构外表也是推进纳米光子学开展的重要力气。它们具有超透射、负折射、隐身等奇异的光学现象,将光学研讨带入一个新的方向。”南京大学现代工程与使用科学学院教授李涛说。

可与量子信息技能强强联手

“纳米光子学将与量子信息范畴相结合,为量子态的制备、量子信息器材的设计及片上集成供给新的基础;纳米光子学在光催化、精密传感等范畴的不断打破也有望为下一代变革性技能的研发铺平道路。”徐红星介绍。

在徐红星看来,纳米光子学技能是影响国家未来中心竞争力的重要战略研讨方向之一,也是新经济增长点的支撑技能之一。具有纳米光子学技能知识产权并推广这些技能,将有力提高我国在经济和国防安全等范畴一些要害点的竞争优势。

北京大学物理学院研讨员施可彬告诉记者,近年来跟着纳米资料和结构的设计和制备技能、先进光学表征手段等的快速开展,以及人才队伍的不断扩大,我国在纳米光子学范畴取得了一系列重要的原创性效果,在若干个重要研讨方向上已经到达世界一流水平。

“目前在纳米光子学范畴,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。

等离激元范畴的能量损耗就是其中一个要害问题,约束了等离激元纳米光波导和其他纳米光子学器材的使用。科研人员一方面在测验处理损耗的问题,另一方面也在测验怎样利用等离激元的损耗来设计新式器材。

发布:xiuyue

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