利用光的折射，我們佩戴眼鏡來矯正視力，看清物體；使用望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡來拓寬視野，上觀星空，下察纖毫。

統(tǒng)計(jì)表明，人類獲取的信息有80%以上通過光學(xué)獲得。與此同時(shí)，在先進(jìn)制造技術(shù)的推動(dòng)下，人類能夠控制和利用的物質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)入到納米尺度，產(chǎn)生了紛繁多樣的納米技術(shù)。試想一下，當(dāng)變幻莫測的光學(xué)遇上了“錙銖必較”的納米技術(shù)，將會(huì)碰撞出怎樣的火花？

在2018年12月4-5日召開的以“納米光子學(xué)材料”為主題的第y3次香山科學(xué)會(huì)議上，與會(huì)專家紛紛為這對(duì)“佳偶”的發(fā)展帶來了最新研究成果與建設(shè)性意見。

當(dāng)光遇上納米技術(shù)

20世紀(jì)60年代，隨著激光和光纖的發(fā)明，光子學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。

智能手機(jī)就是光子學(xué)重要性的經(jīng)典例證：人們利用激光制造手機(jī)外殼；利用光刻技術(shù)制造微電子電路……

伴隨著現(xiàn)代微納米加工技術(shù)的不斷發(fā)展，科學(xué)家擁有了在納米尺度上操縱光子的前所未有的能力，衍生出了納米光子學(xué)這一交叉學(xué)科。納米光子學(xué)主要研究在納米尺度上光與物質(zhì)的相互作用，并在納米尺度對(duì)光的散射、透射、吸收、折射、量子態(tài)等進(jìn)行調(diào)控。

此次會(huì)議執(zhí)行主席之一、國家納米科學(xué)中心研究員戴慶介紹，當(dāng)材料的尺寸縮小到納米尺度后，會(huì)產(chǎn)生許多新奇的光電效應(yīng)。“例如出現(xiàn)量子限域效應(yīng)，可以通過改變納米結(jié)構(gòu)的尺寸來調(diào)節(jié)量子點(diǎn)的發(fā)光；利用納米結(jié)構(gòu)能夠在亞波長尺度對(duì)光進(jìn)行調(diào)控，如對(duì)不同頻率的光具有不同的透射、反射，從而產(chǎn)生類似孔雀羽毛的結(jié)構(gòu)色；同時(shí)，在金屬納米結(jié)構(gòu)上可以激發(fā)出等離激元，突破光的衍射極限。”

“這是場浪漫的邂逅，當(dāng)光學(xué)遇到納米技術(shù)會(huì)產(chǎn)生不一樣的物理反應(yīng)。”本次會(huì)議執(zhí)行主席之一、南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院教授李濤表示，兩者的結(jié)合將極大增強(qiáng)光與物質(zhì)的相互作用，有望實(shí)現(xiàn)光子學(xué)器件的小型化、構(gòu)建超級(jí)透鏡、實(shí)現(xiàn)負(fù)折射和光學(xué)隱身、獲得超靈敏檢測等，并為下一代信息獲取、處理、傳輸?shù)认嚓P(guān)技術(shù)提供新的途徑。

光學(xué)的“納米尺度”進(jìn)化

納米尺度通常定義為1——100納米，1納米是十億分之一米。在光子學(xué)領(lǐng)域，正在研究的光波長尺度大約是百納米到1微米（1000納米）。在小于光波長的尺度上開展光與物質(zhì)相互作用的研究并了解其背后的物理機(jī)制非常重要。

其中，以金屬納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)性質(zhì)為核心發(fā)展起來的表面等離激元光子學(xué)最令人矚目。表面等離激元是材料中的電子被激發(fā)后以光頻集體振動(dòng)，以波的形式沿材料表面?zhèn)鞑サ囊环N元激發(fā)。類似于石頭拋在水中會(huì)激起水波沿水面?zhèn)鞑ァ?/p>

“光場的局域增強(qiáng)和亞波長束縛的傳播是在納米尺度上實(shí)現(xiàn)對(duì)光的操控的兩個(gè)核心基礎(chǔ)。”武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授、中國科學(xué)院院士徐紅星介紹。例如，成對(duì)的金屬納米顆粒在光場的作用下能夠產(chǎn)生強(qiáng)烈的表面等離激元共振，驅(qū)動(dòng)金屬顆粒上的自由電子通過納米間隙產(chǎn)生電磁耦合，將特定頻率的光束縛在極其微小的空間中，產(chǎn)生巨大的電磁場增強(qiáng)效應(yīng)，是單分子靈敏度的表面增強(qiáng)拉曼光譜的原因。

研究還發(fā)現(xiàn)表面等離激元在光的驅(qū)動(dòng)下呈現(xiàn)出克服光學(xué)衍射極限的傳播模式，金屬納米線表面等離激元非常敏感地依賴于納米波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)、介電環(huán)境和激發(fā)方式，并可以呈現(xiàn)手性傳播。

中科院物理所研究員魏紅介紹，利用納米線上的傳播型表面等離激元，可以區(qū)分耦合體系中激子的不同能量衰減通道，包括產(chǎn)生表面等離激元、輻射為光子和非輻射損耗。在金屬納米線和量子點(diǎn)耦合體系中，量子點(diǎn)可以作為近場探針實(shí)現(xiàn)對(duì)表面等離激元的探測，反過來，量子點(diǎn)發(fā)光可以用來激發(fā)單個(gè)等離激元。

“光”明的未來

納米光子學(xué)應(yīng)用前景廣闊，比如光學(xué)超分辨成像、生物醫(yī)學(xué)傳感、固體照明、顯示、光通信、半導(dǎo)體制造和太陽能電池等，其已成為國際研究熱點(diǎn)，歐盟專門成立了歐洲納米光子學(xué)協(xié)會(huì)。

北京大學(xué)物理學(xué)院研究員馬仁敏指出，等離激元納米激光器相較于傳統(tǒng)激光器具有更小的物理尺寸、更快的調(diào)制速度、更低的閾值與功耗，在包括芯片上光互聯(lián)、傳感與探測、生物探針、標(biāo)記示蹤與成像、輻射光場調(diào)控等方向都可應(yīng)用。

北京大學(xué)物理學(xué)院研究員劉開輝介紹了球差校正透射電鏡與超快光譜學(xué)結(jié)合的技術(shù)。“我們利用該技術(shù)研究了一維碳納米管、二維原子層材料體系中一些低維物理和超快動(dòng)力學(xué)過程問題。”

“納米光子學(xué)將與量子信息領(lǐng)域相結(jié)合，為量子態(tài)的制備、量子信息器件的設(shè)計(jì)及片上集成提供新的基礎(chǔ)，在光催化、精密傳感等領(lǐng)域的不斷突破也有望為下一代變革性技術(shù)的研發(fā)鋪平道路。”談及納米光子學(xué)的發(fā)展，徐紅星如是說。

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