特制的纳米空腔的模型将光压缩到比人的头发还细一万倍
2022-11-30 11:05:11来源：cnBeta
直到最近，物理学家们普遍认为，除非利用金属纳米粒子，否则不可能将光压缩到所谓的衍射极限以下，因为金属纳米粒子也吸收光。因此，似乎不可能在像硅这样的电介质材料中强烈地压缩光线，而这些材料对信息技术至关重要，并具有不吸收光线的显著优势。
有趣的是，早在2006年就有理论表明，衍射极限并不适用于电介质。然而，没有人能够在实际世界中证明这一点，因为它需要复杂的纳米技术，还没有人能够创造所需的电介质纳米结构。
丹麦技术大学(DTU)的一个研究小组创造了一个被称为"电介质纳米腔"的装置，它成功地将光集中在比衍射极限小12倍的体积中。这一发现在光学研究中具有突破性意义，最近发表在《自然通讯》杂志上。
世界上最小的光子的测量
"我们将我们对真正的光子纳米技术的知识和它目前的局限性编入一台计算机。然后我们要求计算机找到一种模式，将光子收集在一个前所未有的小区域内--在一个光学纳米腔中，并且我们也能够在实验室里建造它。"
光学纳米腔是经过特殊设计的结构，可以保留光，使其不能正常传播，而是来回反射，就像两面镜子相对一样。镜子越靠近对方，它们之间的光线就越强烈。在这个实验中，研究人员创造了一个蝴蝶结结构，由于其独特的形状，它在挤压光子方面特别有效。
衍射极限理论描述了在一个光学系统中，光不能被聚焦到小于一半波长的体积中--例如，这适用于显微镜的分辨率。然而，纳米结构可以由比波长小得多的元素组成，这意味着衍射极限不再是一个基本限制。特别是弓形结构，可以将光压缩到非常小的体积中，这受限于弓形结构的尺寸，因此也受限于纳米制造的质量。当光被压缩时，它变得更加强烈，加强了光和材料(如原子、分子和二维材料)之间的相互作用。
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介质材料
介质材料是电绝缘的。玻璃、橡胶和塑料是介电材料的例子，它们与金属形成对比，后者是导电的。介质材料的一个例子是硅，它经常被用于电子学，但也用于光子学。这种纳米空腔是由硅制成的，它是最先进的现代技术所依据的电介质材料。纳米空腔的材料是在DTU的洁净室实验室中开发的，而空腔所依据的图案是用DTU开发的独特的拓扑优化方法进行优化和设计的。最初是为了设计桥梁和飞机机翼而开发，现在也被用于纳米光子结构。
"实现这一突破需要巨大的联合努力。它之所以能够实现，是因为我们成功地结合了DTU几个研究小组的世界领先的研究，"领导这项研究工作的Søren Stobbe副教授说。
高能效技术的重要突破
这一发现可能对开发革命性的新技术具有决定性意义，这些技术可能会减少数据中心、计算机、电话等方面的耗能部件的数量。
计算机和数据中心的能源消耗持续增长，需要更多的可持续发展的芯片架构，使用更少的能源。这可以通过用光学元件取代电路来实现。研究人员的设想是利用互联网所用的光和电子之间的相同分工，即光用于通信，电子用于数据处理。唯一的区别是，这两种功能都必须内置于同一个芯片中，这就要求将光压缩到与电子元件相同的大小。DTU的突破表明，这实际上是可能的。
Marcus Albrechtsen说："毫无疑问，这是开发更节能技术的重要一步，例如，用于数据中心和未来计算机的光连接的纳米激光器--但还有很长的路要走。"
研究人员现在将进一步工作，完善方法和材料，以找到最佳解决方案。
"现在我们已经有了理论和方法，随着周围技术的发展，我们将能够制造出越来越强的光子。我相信，这只是物理学和光子纳米技术以这些原理为中心的一长串重大发展中的第一个。"索伦·斯托布说，他最近从欧洲研究理事会获得了著名的200万欧元的巩固者资助，用于开发基于新腔体的全新类型的光源。
