光是出了名的快。它的速度对于快速的信息交换至关重要，但是当光穿过材料时，它相互作用和激发原子和分子的机会就会变得非常小。如果科学家能够对光粒子或光子进行刹车，这将为一系列新技术的应用打开大门。
一个高q超表面分束器的艺术家渲染。这些“高品质因子”或“高q”谐振器可能会导致操纵和使用光的新方法。(图片来源:Riley A. Suhar)
现在，在8月17日发表在《自然纳米技术》(Nature Nanotechnology)杂志上的一篇论文中，斯坦福大学(Stanford)的科学家展示了一种显著降低光速的新方法，就像回声室保留声音并随意引导声音一样。斯坦福大学材料科学与工程副教授Jennifer Dionne的实验室里，研究人员将超薄硅片构造成纳米尺度的条状，以共振捕获光线，然后在稍后将其释放或重定向。这些“高质量因子”或“高q”谐振器可能会带来操控和使用光的新方法，包括量子计算、虚拟现实和增强现实的新应用;光学无线;甚至是SARS-CoV-2病毒的检测。
“我们本质上是试图把光困在一个小盒子里，它仍然允许光从许多不同的方向进出，”博士后研究员马克·劳伦斯说，他也是这篇论文的主要作者。“在一个有很多边的盒子里捕获光线很容易，但如果边是透明的就不那么容易了——就像很多硅基应用的情况一样。”
制造和生产
在它们能够操纵光之前，需要制造谐振器，这就带来了许多挑战。
该设备的核心部件是一层极薄的硅，它能非常有效地捕获光线，对近红外光谱的吸收也很低，而近红外光谱正是科学家们想要控制的。硅位于透明材料晶片(本例为蓝宝石)上，研究人员将电子显微镜“笔”置于晶片上蚀刻纳米天线图案。图案必须画得尽可能平滑，因为这些天线就像回声室的墙壁一样，而不完美则抑制了捕捉光的能力。
迪翁同时也是研究平台/共享设施的高级副教务长，他说:“高q共振要求创造非常光滑的侧壁，不允许光泄露出去。”“这可以通过更大的微米级结构相当常规地实现，但对于散射光更多的纳米结构来说，则是非常具有挑战性的。”
模式设计在高q纳米结构的制造中起着关键作用。“在电脑上，我可以画出超平滑的线条和任何给定几何图形的块，但制作是有限的，”Lawrence说。“最终，我们必须找到一种设计，既能提供良好的光捕获性能，又能在现有制造方法的范围内。”
高质量(要素)应用
迪翁和劳伦斯对设计进行了修补，并将其描述为具有众多实际应用的重要平台技术。
该设备显示的所谓质量因子高达2500，比以往任何类似设备所达到的质量因子高出两个数量级(或100倍)。质量因子是描述共振行为的一种度量，在这种情况下，它与光的寿命成正比。迪翁说:“通过实现数以千计的质量因子，我们已经在一些非常令人兴奋的技术应用方面处于一个很好的最佳位置。”
例如,若。一个单一的生物分子是如此的小，它基本上是不可见的。但是，让光在一个分子上成百上千次地穿透，可以极大地增加产生可探测散射效应的机会。
迪翁的实验室正致力于将这种技术应用于检测COVID-19抗原(触发免疫反应的分子)和抗体(免疫系统产生反应的蛋白质)。迪翁说:“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。”“但是由于强光分子的相互作用，我们有机会检测一种病毒或多种抗体的极低浓度。高q纳米谐振器的设计还允许每个天线独立工作，以同时检测不同类型的抗体。
尽管流感大流行激发了迪翁对病毒检测的兴趣，但她也对这项新技术可能带来的其他应用感到兴奋，比如激光雷达(LIDAR)，也就是光探测和测距，这是一种基于激光的距离测量技术，经常用于自动驾驶汽车。迪翁说:“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——你不能总是预测基础科学将走向何方，或者it’将走向什么，但它可以为未来的挑战提供关键的解决方案。”
这项创新也可能在量子科学中发挥作用。例如，通过分裂光子来制造纠缠光子，即使在相距很远的情况下也能在量子层面上保持联系，这通常需要大型的桌面光学实验，实验使用的是大型的、昂贵的、精确抛光的晶体。“如果我们能做到这一点，但是使用我们的纳米结构来控制和塑造纠缠光，也许有一天我们会有一个你可以拿在手里的纠缠发生器，”Lawrence说。“有了我们的结果，我们很兴奋地看到新的科学，’现在可以实现，但也在尝试挑战’可能的极限。”
斯坦福大学的其他合著者包括研究生David Russell Barton III和Jefferson Dixon、研究助理Jung-Hwan Song、前研究科学家Jorik van de Groep和材料科学与工程教授Mark Brongersma。这项工作由DOE-EFRC、“热力学极限下的光子学”以及AFOSR资助。珍亦是放射学副教授，吴氏神经科学研究所及Bio-X的成员。
新闻旨在传播有益信息，英文原版地址：https://news.stanford.edu/2020/08/17/slow-light-beam-steering/