科学家在金刚石光学天线中实现了百万倍的能量增强

芝加哥大学普利兹克分子工程学院的一项新研究利用了金刚石缺陷集中光能的非凡能力，理论已经变成了实践。

研究人员利用金刚石中的锗空位中心开发出了原子天线，实现了100万倍的光能增强。这一进展使基础物理学的研究成为可能，并开辟了新的研究途径。理论和实验团队之间的合作对这一突破至关重要。

原子天线：利用光产生强信号

与无线电天线捕捉空中广播并将能量集中到音乐中的方式类似，单个原子可以收集光的能量并将其集中到一个强大的局部信号中，研究人员可以使用该信号来研究物质的基本组成部分。

强度增强越强，天线性能越好。然而，仅仅因为它们是固体材料，科学家们就一直无法利用固体材料中某些“原子天线”潜在的巨大强度增强。

克服固体材料的挑战

“大多数时候，当固体中有原子时，它们会与环境相互作用。”芝加哥大学普利兹克分子工程学院助理教授亚历克斯·海说：“有很多混乱，它们会被声子震动，并面临其他干扰，从而降低信号的相干性。”

在6月7日发表在《自然光子学》上的一篇新论文中，由高等实验室领导的一个多机构团队已经解决了这个问题。他们利用金刚石中的锗空位中心，将光能提高了6个数量级，这是传统天线结构难以达到的。

突破性的金刚石光学天线

这种百万倍的能量增强创造了论文所称的“示范性”光学天线，并提供了一种开辟全新研究领域的新工具。

“这不仅仅是技术上的突破。这也是基础物理学的一个突破，”PME博士候选人、论文的共同第一作者李子熙（音译）说。“虽然众所周知，激发的原子偶极子可以产生巨大强度的近场，但以前没有人在实验中证明过这一点。”

从理论到实践：实现光学天线

光学天线的核心特征是在共振激发时产生振荡的电子偶极子。

“光学天线基本上是与电磁场相互作用的结构，并以特定的共振吸收或发射光，就像电子在这些色中心的能级之间移动一样，”李子熙说。

当电子在激发态和基态之间转换时，它会振荡，并集中相对巨大的能量，这使得固体中的原子光学偶极子在理论上是一种很好的天线。

“这不仅仅是技术上的突破。这也是基础物理学的一个突破。”

解决固态原子中的挑战

使这种能力保持在理论上的是，原子是在固体中，受到所有的碰撞、电子干扰和一般噪音的影响，这些都是紧密排列结构的一部分。色心 —— 金刚石和其他具有有趣量子特性的材料中的小缺陷 —— 为该团队提供了一个解决方案。

亚历克斯·海说：“在过去的七八年里，我们观察到某些类型的色彩中心可以不受这些环境影响。”

量子力学光发射的势

西班牙巴塞罗那光子科学研究所的合著者Darrick Chang说，这开启了有趣的研究机会。

他说：“对我来说，色心最有趣的地方不只是增强了光场，还在于它发出的光本质上是量子力学的。这使得考虑‘量子光学天线’是否可以具有与经典光学天线不同的功能和工作机制变得有趣。”

合作为创新铺平道路

但将这一理论转化为切实可行的天线需要数年时间，与全球研究人员合作，并得到芝加哥大学加利集团的理论指导。

“由亚历克斯·海发起的理论、计算和实验之间的合作不仅有助于理解和解释核心科学，而且还开辟了计算方面的新研究领域，”PME Liew Family教授Guilia Galli说。“合作非常富有成效。”

《色彩中心的魔力》

原子水平的成像是放大和带宽的结合 —— 信号的强度和你可以研究的信号量。正因为如此，共同第一作者郭兴涵（音译）认为新技术是对现有技术的补充，而不是取代。

“我们提供了更高的放大，但我们的带宽更窄，”郭说，他最近在PME完成了博士学位，现在是耶鲁大学的博士后研究员。“如果你有一个非常有选择性的信号，带宽很窄，但需要大量放大，你可以来找我们。”

新技术的优势

除了更强大的信号外，这项新技术还有其他好处。虽然现有的技术，如单分子拉曼光谱和FRET光谱，通过用光来增强信号，但这种技术只需要毫瓦的能量就可以激活。这意味着一个强烈的信号，没有过度的光产生的漂白、加热和背景荧光。

与传统的等离子体天线不同，锗空位中心在使用时也不会耗散能量。

研究人员表示：“色心的神奇之处在于它同时是点状的，并且避免了等离子体材料的损失，使它能够保持其极端的场增强。”

光学天线的未来发现

对研究团队来说，令人兴奋的部分不是天线的新形式，而是他们将做出的潜在发现。

“令人兴奋的是，这是一个普遍的特征，”亚历克斯·海说。“我们可以将这些颜色中心整合到大范围的系统中，然后我们可以将它们用作本地天线来发展新工艺，既可以构建新设备，又可以帮助我们了解宇宙是如何运作的。”

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