能讓擁有最快速度的光降速！新技術或可用來檢測新冠病毒

2020-09-03 科學大觀園雜誌


高質量因子超表面分束器藝術渲染圖。

光是有名的「飛毛腿」。它的超快速度對於快速信息交換來說至關重要。然而，當光穿過材料時，它與原子、分子相互作用並激發後兩者的機率就會變得非常小。因此，如果科學家能夠讓光子「踩下剎車」，就有可能促成一系列新應用。

《自然·納米技術》雜誌8月17日報導，美國史丹福大學的科學家展示了一種顯著降低光速的新方法。

該校材料科學與工程副教授Jennifer Dionne領導的團隊，將超薄矽片構造成了納米條狀，然後以共振方式捕捉光線，最後對其進行釋放或重定向。

這類高質量因子諧振器，有望帶來操控和使用光線的新方法，並應用於量子計算、虛擬實境/增強現實，甚至SARS-CoV-2病毒檢測上。（質量因子是描述共振行為的度量，它與光的壽命成正比。）

論文作者、博士後研究人員Mark Lawrence說：「本質上，我們希望將光線困在一個小盒子裡面——當然，光線仍然能從多個方向進出。多面體盒子很容易捕捉光線，但如果盒面是透明的就另當別論了。很多矽基應用中存在類似問題。」

在操控光之前，科學家們需要製造出合適的諧振器，而這正是挑戰所在。諧振器的核心部件是一層超薄矽，它既能有效捕獲光線，又不會過多吸收紅外光。工程師將矽放置在透明晶片（藍寶石）之上，然後用電子顯微鏡「筆」蝕刻出納米天線圖案。圖案必須儘可能平滑，否則將抑制材料捕獲光線的能力。

Dionne說：「高質量因子共振需要非常光滑的側壁。在微米級結構中，這很容易實現。但對於納米結構而言，難度大大增加了。」

圖案設計在高質量因子納米結構的設計中起著關鍵作用。Lawrence說：「在電腦上，我可以輕易畫出超級平滑的線條和任意形狀的圖案，但實際製造就是另一回事了。我們必須找到平衡點，讓裝置既能有良好的光線捕獲性能，又不會給現有製造方法找麻煩。」

Dionne等對設計進行了優化，最終使質量因子達到2500，幾乎高出歷史值兩個數量級。Dionne說：「質量因子達到較高水平，為諸多令人振奮的技術應用奠定了基礎。」例如，在生物傳感領域，單個生物分子體積很小，基本上是不可見的。但是，讓光線成百上千次地穿過它，就能極大地增加探測散射效應的機會。

目前，Dionne實驗室正致力於將這項技術應用於COVID-19抗原和抗體的檢測。Dionne說：「新技術可以為醫生們提供慣用的『光學讀數』。由於光子的強烈相互作用，我們得以有機會在極低濃度下檢測一種病毒或多種抗體。」除病毒檢測外，新技術還有望在自動駕駛汽車（雷射雷達）和量子科學等領域嶄露頭角。

原創編譯：雷鑫宇 審稿：西莫 責編：Max

期刊來源：《自然·納米技術》

期刊編號：1748-3387

原文連結：

https://news.stanford.edu/2020/08/17/slow-light-beam-steering/

版權聲明：本文為原創編譯，中文內容僅供參考，一切內容以英文原版為準。轉載請註明來源。

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