纳米光子学：破译光子与物质间“悄悄话”

光子和物质在纳米尺度上会发生什么奇怪的反应？什么样的创新能破解它们之间的“窃窃私语”给科技带来的影响？最近举行的Y3象山科学大会(第三届青年研讨会)以“纳米光子材料”为主题，围绕这些主题展开。

在纳米尺度上操纵光线

随着现代微纳加工技术和光学技术的不断发展，纳米光子学在过去的20年里在世界范围内发展迅速，并显示出强大的生命力介绍了中国科学院院士、武汉大学物理科学与技术学院教授徐红星。

所谓的纳米光子学是一门跨学科的学科，涉及光和物质在纳米尺度上的相互作用机制和应用。

国家纳米科学中心纳米光子研究部研究员戴青在接受《科学技术日报》采访时表示，纳米光子技术主要研究纳米尺度上的光操控，它可以突破光的衍射极限，精细调控光的发射和吸收。因此，该技术在高灵敏度检测、传感、发光二极管、太阳能电池和通信领域具有巨大的应用潜力。

纳米光子学的研究范围很广，主要包括纳米光子学材料的生长、纳米结构的组装和制备，以及表面等离子体、光子晶体、超快光谱、近场光学表征等的材料、机理、表征方法、器件和应用。

许多奇特的物理效应

"当材料的尺寸缩小到纳米级时，会有许多新的物理效应."中国科学院物理研究所研究员魏红告诉记者。

量子限制效应是其中之一。利用这种效应，研究人员可以通过改变量子点等纳米结构的尺寸来调整发光波长。

另一个例子是，研究人员可以使用纳米结构来调节亚波长范围的光，使得不同频率的光具有不同的透射和反射，从而产生结构颜色，例如一些鸟类羽毛的颜色。

此外，表面等离子体激元可以在金属纳米结构上激发，突破光的衍射极限，将光场压缩到纳米尺度，增强局部光场的强度。

“表面等离子体激元是一种等离子体激元激发，其中材料中的电子被激发以光频率集体振动，并以波的形式沿着材料表面传播。它类似于扔进水中的石头，会导致水波沿着水面传播。”戴青解释道。

徐红星告诉记者，表面等离子体可以将光场限制在比光波长小得多的空间范围内，从而实现真正的纳米光子学。目前，它在许多方面显示出巨大的应用前景。

例如，基于表面等离子体激元的亚波长光波导、分光器、调制器、激光器、检测器和其他功能单元正在逐步完成。金属纳米结构也作为光能转换的光学天线出现，用于癌症热疗、海水淡化、强化催化和其他方面。

“另一方面，以人造微结构、人造‘原子’或‘分子’为单位构建的超结构材料和超结构表面也是推动纳米光子学发展的重要力量。它们具有超透射、负折射和不可见等奇怪的光学现象，这将使光学研究进入一个新的方向。”南京大学现代工程与应用科学学院的李涛教授说。

可以与量子信息技术相结合

“纳米光子学将与量子信息领域相结合，为量子态的制备、量子信息器件的设计和片上集成提供新的基础。纳米光子学在光催化、精密传感等领域的不断突破也有望为下一代革命性技术的发展铺平道路。”徐红星介绍。

徐红星认为，纳米光子技术是影响国家未来核心竞争力的重要战略研究方向之一，也是新经济增长点的支撑技术之一。拥有纳米光子技术的知识产权并推广这些技术将极大地增强中国在经济和国防安全等关键领域的竞争优势。

北京大学物理学院研究员史克斌告诉记者，近年来，随着纳米材料和结构设计制备技术的快速发展，先进的光学表征方法，以及人才队伍的不断壮大，中国在纳米光子学领域取得了一系列重要的原创性成果，在几个重要的研究方向上达到了国际一流水平。

目前，在纳米光子学领域，无论是在基础理论方面还是在实际应用方面，仍有许多困难徐红星说道。

等离子体激元领域的能量损失是限制等离子体纳米波导和其他纳米光子器件应用的关键问题之一。一方面，研究人员试图解决损耗问题，另一方面，他们也试图利用等离子体的损耗来设计新的器件。