GeV 作为天线。图片来源：Nature Photonics （2024）。DOI： 10.1038/s41566-024-01456-5
类似于无线电天线从空中拨取广播并将能量集中成一首歌的方式，单个原子可以收集光的能量并将其集中成一个强大的局部信号，研究人员可以用它来研究物质的基本组成部分。
强度增强越强大，天线越好。但研究人员从未能够仅仅因为它们是固体而利用固体材料中某些“原子天线”的潜在巨大强度增强。
“大多数时候，当你在固体中有原子时，它们会与环境相互作用。有很多无序，它们被声子震动，并面临其他破坏，降低信号的连贯性，“芝加哥大学普利兹克分子工程学院助理教授Alex High说。
在发表在《自然光子学》上的一篇新论文中，由高级实验室领导的一个多机构团队已经破解了这个问题。他们利用钻石中的锗空位中心创造了六个数量级的光能增强，这是传统天线结构难以达到的。
这种百万倍的能量增强创造了该论文所谓的“示范性”光学天线，并提供了一种新的工具，开辟了全新的研究领域。
“这不仅仅是技术上的突破。这也是基础物理学的突破，“该论文的共同第一作者、PME博士候选人Zixi Li说。“虽然众所周知，激发的原子偶极子可以产生具有巨大强度的近场，但以前没有人在实验中证明过这一点。
从理论到实践光学天线的核心特征是，当谐振激发时，它会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并以某些共振吸收或发射光的结构，就像在这些颜色中心的能级之间移动的电子一样，”High说。
当电子在激发态和基态之间转换时，电子会振荡，并集中相对巨大的能量，使固体中的原子光学偶极子在理论上成为出色的天线。
使这种能力保持理论性的是，原子存在于固体中，受到所有推挤，电子干扰和一般噪声的影响，这些都是紧密堆积结构的一部分。颜色中心——钻石和其他具有有趣量子特性的材料中的小缺陷——为该团队提供了解决方案。
“在过去的七八年里观察到的是，某些类型的色彩中心可以免受这些环境影响，”High说。
芝加哥大学普利兹克分子工程学院的博士生李子曦是Alex High副教授实验室一篇新论文的共同第一作者，该论文展示了一种在原子水平上提供更强大测量的新方法。图片来源：Hong Qiao
这开启了有趣的研究机会，西班牙巴塞罗那光子科学研究所的合著者Darrick Chang说。
“对我来说，色彩中心最有趣的方面不仅是场增强，而且发射的光本质上是量子力学的，”他说。“这使得考虑'量子光学天线'与经典光学天线相比是否可以具有不同的功能和工作机制变得有趣。
但是，将这一理论转化为可行的天线需要数年时间，需要与全球研究人员的合作以及芝加哥大学盖利小组的理论指导。
“Alex High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，而且还在计算方面开辟了新的研究方向，”该论文的合著者PME Liew Family教授Guilia Galli说。“这次合作非常富有成效。”
“色彩中心的魔力”原子水平的成像是放大和带宽的结合，即信号的强度和您可以研究的信号量。正因为如此，共同第一作者Xinghan Guo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，但需要大量的放大，你可以来找我们。
这项新技术除了提供更强大的信号外，还具有其他好处。虽然单分子拉曼光谱和FRET光谱等现有技术通过用光发射信号来增强信号，但这种技术只需要纳瓦的能量即可激活。这意味着信号很强，没有过多光线产生的漂白、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。
“颜色中心的魔力在于它同时是点状的，避免了等离子体材料的损失，使其能够保持其极端的场增强，”Chang说。
对于High来说，令人兴奋的部分不是天线的新形式，而是它们将带来的潜在发现。
“令人兴奋的是，这是一个普遍特征，”High说。“我们可以将这些色彩中心集成到广泛的系统中，然后我们可以将它们用作本地天线来发展新的过程，既可以构建新设备，又可以帮助我们了解宇宙的运作方式。
更多信息：Zixi Li et al， 固体中的原子光学天线， Nature Photonics （2024）.DOI： 10.1038/s41566-024-01456-5
期刊信息： Nature Photonics
