納米光子學：破譯光子與物質間「悄悄話」
本報記者 劉園園
在納米尺度下，光子與物質之間會發生什麼奇妙的反應？破譯它們之間的「悄悄話」，會對科技帶來哪些革新？近日召開的第Y3次香山科學會議（第3次青年學術討論會）以「納米光子學材料」為主題，主要關注的就是這些話題。
在納米尺度下操縱光
「隨著現代微納米加工技術和光學技術的不斷發展，近20年來，納米光子學在世界範圍內得到迅猛發展，展現出強大的生命力。」中科院院士、武漢大學物理科學與技術學院教授徐紅星介紹。
所謂納米光子學，是以納米尺度下的光與物質相互作用機理及應用為核心的交叉學科。
國家納米科學中心納米光子學研究部研究員戴慶接受科技日報記者採訪時介紹，納米光子學技術主要研究納米尺度上對光的操縱，能夠突破光的衍射極限並對光的發射、吸收等性能進行更精細的調控。因此這種技術在高靈敏檢測、傳感、LED、太陽能電池和通訊等領域有巨大的應用潛力。
納米光子學領域的研究涵蓋廣泛，主要包括納米光子學材料生長、納米結構的組裝和加工製備，以及表面等離激元、光子晶體、超快光譜、近場光學表徵的材料、機理、表徵方法、器件和應用等。
諸多奇特的物理效應
「當材料的尺寸縮小到納米尺度後，會產生許多新奇的物理效應。」中科院物理所研究員魏紅告訴記者。
量子限域效應就是其中之一。利用這種效應，科研人員可以通過改變納米結構例如量子點的尺寸來調節其發光波長。
再比如，科研人員可以利用納米結構在亞波長尺度對光進行調控，使不同頻率的光具有不同的透射、反射等，從而產生結構色，例如一些鳥類羽毛的顏色。
此外，在金屬納米結構上可以激發出表面等離激元，能夠突破光的衍射極限，將光場壓縮到納米尺度並增強局域光場的強度。
「表面等離激元是材料中的電子被激發後以光頻集體振動，以波的形式沿材料表面傳播的一種元激發。類似於石頭拋在水中會激起水波沿水面傳播。」戴慶解釋說。
徐紅星告訴記者，表面等離激元可以將光場束縛在遠小於光的波長的空間範圍內，實現名副其實的納米光子學。當前，它已在諸多方面展現出巨大的應用前景。
例如，基於表面等離激元實現的亞波長光波導、分光器、調製器、雷射器、探測器等功能單元正逐步完備，以金屬納米結構作為光學天線進行光能轉換用於癌症熱療、海水淡化、增強催化等方面也嶄露頭角。
「另一方面，以人工微結構、人工『原子』或『分子』為單元構築的超構材料、超構表面也是推動納米光子學發展的重要力量。它們具有超透射、負折射、隱身等奇異的光學現象，將光學研究帶入一個新的方向。」南京大學現代工程與應用科學學院教授李濤說。
可與量子信息技術強強聯手
「納米光子學將與量子信息領域相結合，為量子態的製備、量子信息器件的設計及片上集成提供新的基礎；納米光子學在光催化、精密傳感等領域的不斷突破也有望為下一代變革性技術的研發鋪平道路。」徐紅星介紹。
在徐紅星看來，納米光子學技術是影響國家未來核心競爭力的重要戰略研究方向之一，也是新經濟增長點的支撐技術之一。擁有納米光子學技術智慧財產權並推廣這些技術，將有力提升我國在經濟和國防安全等領域一些關鍵點的競爭優勢。
北京大學物理學院研究員施可彬告訴記者，近年來隨著納米材料和結構的設計和製備技術、先進光學表徵手段等的快速發展，以及人才隊伍的不斷擴充，我國在納米光子學領域取得了一系列重要的原創性成果，在若干個重要研究方向上已經達到國際一流水平。
「目前在納米光子學領域，無論是在基本理論還是實用化方面，仍然面臨著許多難題。」徐紅星說。
等離激元領域的能量損耗就是其中一個關鍵問題，限制了等離激元納米光波導和其他納米光子學器件的應用。科研人員一方面在嘗試解決損耗的問題，另一方面也在嘗試怎麼利用等離激元的損耗來設計新型器件。