“量子光学天线”在原子层面提供更强大的测量

Josiah

类似于无线电天线从空中接收广播并将能量集中成一首歌曲，单个原子可以收集光能并将其集中成强烈的局部信号，研究人员可以利用这种信号来研究物质的基本构成要素。

强度增强越强，天线性能越好。但研究人员始终无法挖掘某些固体材料中“原子天线”巨大的强度增强潜力，仅仅因为它们是固体。

“大多数情况下，固体中的原子都会与环境相互作用。它们会有很多无序性，它们会被声子震动，还会面临其他干扰，从而降低信号的一致性，”芝加哥大学普利兹克分子工程学院助理教授 Alex High 说道。

在《自然光子学》杂志发表的一篇新论文中，High Lab 领导的多机构团队解决了这个问题。他们利用钻石中的锗空位中心将光能提高了六个数量级，这是传统天线结构难以达到的水平。

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

“这不仅仅是技术上的突破，也是基础物理学上的突破，”PME 博士候选人、论文共同第一作者 Zixi Li 说道。“虽然众所周知，激发的原子偶极子可以产生强度巨大的近场，但之前从未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它在共振激发时会产生振荡电子偶极子。

“光学天线基本上是与电磁场相互作用并在某些共振下吸收或发射光的结构，就像电子在这些色心的能级之间移动一样，”海伊说。

电子在激发态和基态之间跃迁时发生振荡，并集中了相对巨大的能量，从理论上讲，固体中的原子光偶极子是一种优良的天线。

这种能力之所以只能停留在理论上，是因为原子处于固体中，会受到挤压、电子干扰和噪音的影响，而这些都是紧密堆积结构的一部分。色心（钻石和其他具有有趣量子特性的材料中的小缺陷）为该团队提供了一种解决方案。

海伊说：“过去七八年来的观察表明，某些类型的色心可以免受这些环境影响。”

芝加哥大学普利兹克分子工程学院博士候选人 Zixi Li 是助理教授 Alex High 实验室新论文的共同第一作者，该论文展示了一种在原子层面上提供更强大测量的新方法。图片来源：Hong Qiao

西班牙巴塞罗那光子科学研究所的共同作者达里克·张 (Darrick Chang) 表示，这开启了有趣的研究机会。

“对我来说，色心最有趣的方面不仅仅是场的增强，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’是否可以具有与传统光学天线不同的功能和工作机制变得很有趣。”

但将这一理论转化为可行的天线花费了数年时间，需要与世界各地的研究人员合作，并需要芝加哥大学加利集团的理论指导。

“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，而且还开辟了计算方面的新研究方向，”论文合著者 PME Liew Family 教授 Guilia Galli 表示。“这次合作非常富有成果。”

“色彩中心的魔力”

原子级成像是放大和带宽的结合——信号强度和可以研究的信号量。因此，共同第一作者郭星汉认为这项新技术是对现有技术的补充，而不是替代。

“我们提供更高的放大率，但我们的带宽较窄，”郭说，他最近在 PME 获得了博士学位，现在是耶鲁大学的博士后研究员。“如果你有一个选择性很强的信号，它的带宽很窄，但需要大量的放大，你可以来找我们。”

新技术带来的益处不仅仅是信号更强大。虽然现有的单分子拉曼光谱和 FRET 光谱等技术都是通过用光照射来增强信号，但这项技术只需要纳瓦级的能量就能激活。这意味着信号强，而没有过多光线造成的褪色、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。

“色心的神奇之处在于，它既是点状的，又避免了等离子体材料的损失，使其能够保留其极端的场增强，”张说。

对于 High 来说，令人兴奋的不是新形式的天线，而是他们将会获得的潜在发现。

“令人兴奋的是，这是一个普遍的特征，”High 说道。“我们可以将这些色心整合到大量系统中，然后我们可以将它们用作本地天线来培育新工艺，这些新工艺既可以制造新设备，又可以帮助我们了解宇宙的运作方式。”