利用纳米共振天线捕获和重定向光

加利福尼亚州斯坦福，2020年9月1日——斯坦福大学Jennifer Dionne教授实验室的研究人员将超薄硅芯片构造成纳米棒，以共振地捕获光，然后再释放或重定向光。研究人员Mark Lawrence在谈到这种可以随意减慢和引导光粒子的方法时说,从本质上讲，我们试图把光困在一个小盒子里，这个小盒子仍然允许光线从许多不同的方向进出。

这些“高品质因数”或“高Q”谐振器的核心组件是一层极薄的硅，它能有效地捕获光，并且在人们感兴趣的近红外光谱具有较低的吸收率。把硅放在透明材料晶片的顶部，例如蓝宝石，研究人员用电子显微镜笔在晶片上蚀刻出纳米天线的图案。由于天线是束缚光线的“墙”，因此图案必须尽可能地平滑，缺陷会阻碍其捕获光的能力。

高Q超表面分束器的艺术渲染图。 这些“高品质因数”或“高Q”谐振器提供一种操纵和使用光的新方法。图片由Riley A. Suhar提供。

图案设计在高Q纳米结构中起着关键作用。Dionne说:“高Q共振要求侧壁非常光滑，不允许光泄漏出去。”“这可以通过较大的微米级结构来实现，但是对于纳米结构则是非常具有挑战性，因为纳米结构更容易散射光。”但她们组的研究人员则发现了一种具有良好效果的图案设计，并且可以用现有的制备方法制备出来。光传递函数、近场强度和共振线的形状都可以被合理地设计，从而为高效、自由空间可重构和非线性纳米光子学奠定了基础。

当光束转向特定方向时，该纳米结构显示出约2500的质量因子。这比同类器件高出两个数量级。质量因子或Q因子是用来描述共振行为的量度，在这种情况下，它与光的寿命成正比。Dionne说:“通过实现数以千计的质量因子，我们已经处于一些非常令人兴奋的技术应用的绝佳位置。”

另一方面，高Q谐振器会带来操控和使用光的新方法，包括量子计算、虚拟和增强现实、光WiFi，甚至检测SARS-CoV-2等病毒的新应用。目前，Dionne的实验室正致力于将其慢光和光操控技术应用于COVID-19抗原和抗体的检测。

Dionne说:“我们的技术可以像医生和临床医生所习惯看到的那样，提供一种光学读数。”“但是由于较强的光-分子相互作用，我们可以检测单一病毒或具有极低浓度的多种抗体。“高Q纳米谐振器的设计允许每个天线独立工作，以同时检测不同类型的抗体。

Dionne也对将该装置用于激光雷达应用和量子科学感兴趣。她说“几年前，我无法想象这项工作所涉及的巨大应用空间”。“对我来说，这个项目加强了基础研究的重要性。你无法总是预测基础科学的发展方向或走向，但它可以为未来的挑战提供关键的解决方案。”