納米光子的案例
Photonics | 等離激元納米天線揭示細菌酶分子振蕩
導 讀
暨南大學納米光子學研究院教授李寶軍、辛洪寶與哈佛大學教授Luke P. Lee合作，借助等離激元光學納米天線揭示了細菌酶分子釋放及釋放過程中的周期振蕩特性。
相關研究成果以“Dynamic monitoring of oscillatory enzyme activity of individual live bacteria via nanoplasmonic optical antennas”為題發表在期刊Nature Photonics。論文第一作者為暨南大學納米光子學研究院魯登云博士研究生，通訊作者為暨南大學李寶軍教授、辛洪寶教授、哈佛大學Luke P. Lee教授。
細菌是諸多感染性疾病的病原體，細菌通過外膜囊泡進行細菌個體之間及細菌與宿主細胞之間的通訊。酶分子作為細菌外膜囊泡釋放的重要信號分子，在細菌感染及抗生素分解過程中扮演著重要角色。為了破解細菌感染的本質及細菌耐藥性的原因，人們盼望能搞清楚
細菌外膜囊泡釋放酶分子的規律
。然而，由于外膜囊泡攜帶的酶分子含量低，且缺乏長時間高精度實時監測酶分子的方法，人們
一直無法觀察到
細菌外膜囊泡酶分子的釋放
過程，也無法知道酶分子是如何調控細胞通訊的，致使其成為長期懸而未決的難題。
為了攻克這一難題，暨南大學納米光子學研究院教授李寶軍、辛洪寶與哈佛大學教授Luke P. Lee合作，提出用等離激元光學
納米天線
研究細菌酶分子行為的構想。他們將具有共振波長匹配的金納米棒（長度約77 nm，直徑約38 nm）與BHQ分子（黑洞淬滅分子）通過靜電作用連接在一起，構建出
等離激元光學納米天線
。
展開 美科學家成功制備出由單一同位素組成的六方氮化硼
據美國海軍研究實驗室2018年1月4日報道，美國海軍研究實驗室NRL（Naval Research Laboratory）一個由物理學家組成的科研團隊已經找到改善六方氮化硼器件光學損耗特性和傳輸效率的手段，使得制備小型激光器和納米光學器件成為可能。
六方氮化硼（h-BN）由硼和氮原子組成的原子級薄晶格組成。最新研究證明，該材料是一種可用于紅外納米光子學的光學材料，被認為是二維材料的理想襯底材料。自然界中存在的硼由原子質量相差達10%的B-10和B-11兩種同位素組成。這兩種同位素的原子質量差異使得由聲子散射造成的光學性能大量損失，進而限制了該材料的潛在應用。
為此，科研人員制備了一種同位素純度超99%的六方氮化硼樣品，該樣品幾乎完全由B-10或B-11組成。“我們已經證明，可以通過在極性半導體和介電材料中精心設計同位素來克服納米光子學固有的效率限制。”該樣品能夠顯著降低六方氮化硼的光學損耗，與天然六方氮化硼相比，光頻振動模式的傳動距離和持久性都高出多達3倍。這種振動模式不僅使得六方氮化硼樣品具有近場光學和化學傳感特性，還為開發和制備具有相似性質的其它材料提供了一種可借鑒方法。
研究人員還包括來自于加州大學圣迭戈分校（University ofCalifornia San Diego）、堪薩斯州立大學（Kansas StateUniversity）、橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory)、哥倫比亞大學（ColumbiaUniversity）和范德堡大學（Vanderbilt University）的科學家。
來源：新材料技術前沿
傳播最新最全的材料科學技術，包括金屬材料成形、熱加工、陶瓷冶金，機械加工、粉末冶金、表面處理技術、熱處理、3D打印技術等相關材料科學技術。
展開 一文了解CMOS圖像傳感器攝像頭的進階設計方法
Ansys Lumerical提供納米光子仿真工具，讓用戶能在波長尺度上對光與幾何結構的相互作用進行建模，包括光學、電子和熱效應。
SPEOS和Lumerical可以共享各種應用的仿真信息，例如平視顯示器（HUD）、具有表面等離子體的系統、衍射光柵、發光結構、表面和體積散射、衍射光學元件等。CMOS傳感器攝像頭的新工作流程是這個不斷增加的應用列表中的新成員，結合SPEOS和Lumerical工具，Ansys為完整的光學系統提供了仿真解決方案。
在Ansys Lumerical FDTD（左）和Lumerical CHARGE（右）中建模的CMOS圖像傳感器
CMOS圖像傳感器攝像頭：
Ansys Lumerical FDTD可用于為CMOS圖像傳感器等納米光子器件的光學屬性建模。可得到的關鍵屬性包括：吸收光子的光學效率，以及襯底中的電子-空穴對生成速率。與Ansys Lumerical CHARGE耦合后，設計師能夠探索其他導入屬性，例如量子效率和串擾，這兩者都需要仿真電氣行為。Ansys Lumerical的FDTD和CHARGE可用于解決眾多設計難題，例如：背照式傳感器、光學和電子串擾的影響、微透鏡偏移或斜入射角幾何結構的優化，以及將彩色濾光片整合到復雜傳感器幾何結構時的效果。
與Ansys SPEOS結合使用時，工程師可以仿真整個攝像頭系統，把CMOS圖像傳感器攝像頭設計提升到新的水平。這有助于用戶探索CMOS圖像傳感器微觀效應、宏觀透鏡和電子子系統之間的復雜相互作用。由于其能夠預測照明性能，SPEOS可幫助工程師為攝像頭記錄的最終成像構建準確視圖。
展開 光學的“納米尺度”進化，將拉開“消費光子”的序幕
但當器件達到納米級時，電子產生隧穿效應，使得電子不容易受控，這對器件來說是致命打擊。所以有專家稱，操縱電子的極限已經逐步來臨，不能再單純通過縮小器件尺寸、提升集成度來增強性能。
和電子不同，光子具備并行、高速的特性。光路在空中交叉傳輸又互不干擾，同時光計算具有天然的并行性，可以在一個時段內同時進行多路計算，且自身能耗非常低，以目前方興未艾的人工智能來看，通過光子可以瞬時的實現卷積運算。也就是說，從未來科技發展與應用來看，光計算是有望代替電計算，演化為下一代高性能計算處理器。
但一直以來，對于“光機電算”四大工程領域中，光的體量不及電之萬一。從C端應用來看，光學的實現主要局限在幾何光學的設計理論范疇與冷光學的工藝制造范疇，比如鏡片、成像等，精度停留在亞毫米和微米級的范疇；從B端應用來看，光通訊領域最快的見證了“光”代“電”的趨勢，硅光子技術正逐步的使得光與電在加速融合。從未來趨勢來看，我們相信，在不久的將來：
1. 基于其物理特性，光必然會從“傳輸”領域逐步向“感知”領域、向“思考”領域逐步進化 ；
2. 伴隨光進入計算的范疇，光學的理論實踐將從幾何光學向波動光學、甚至更深遠的粒子光學升級；光學的工藝制成將從一直以來的冷加工向革新的工藝升級；
3. 光學組件的成本在終端的比重會超過50%；
4. 正如集成電路的興起引領了消費電子的浪潮，光學的進化也將拉開“消費光子”的序幕。
回溯消費電子的發展歷程，“納米尺度”與“規模性低成本”是集成電路技術使得電子進入消費級的兩大特征。與之類似，“消費光子”序幕的真正拉開也必將伴隨這兩大特征的訴求。縱觀目前光學的發展現狀：以硅光子技術為旗艦的有源光學近年來發展迅猛；但反觀體量更大、與消費級更息息相關的無源光學卻依然停留在傳統的“冷光學”體系
–元件尺寸、精度受工藝限制，導致應用局限。
展開 
《AFM》英屬哥倫比亞大學：來自纖維素納米晶體的形狀記憶光子熱塑性塑料
【摘要】
使用形狀記憶光子晶體制備的響應材料在可重寫光子器件、安全特征和光學涂層中具有潛在的應用。最近，
英屬哥倫比亞大學
Mark J. MacLachlan
教授
團隊
通過將
手性向列纖維素納米晶體
(CNC) 嵌入聚丙烯酸酯基質中，形狀記憶光子晶體熱塑性塑料 (CNC-SMP) 可以可逆地捕獲不同的顏色狀態。
在該系統中，溫度用于對形狀記憶響應進行編程，而壓力用于壓縮 CNC 手性向列組織的螺距。通過增加施加的力（≈140-230 N），結構顏色可以從紅色調整為藍色。然后，根據需要，CNC-SMP 可以通過將其加熱到玻璃化轉變溫度以上來恢復到其原始狀態。該循環可以執行 15 次以
上，而不會損失任何形狀記憶行為或樣品的機械退化。此外，通過使用帶圖案的基板按壓樣品，可以將多色讀數編程到手性向列型
CNC-SMP 中，而 CNC-SMP 的玻璃化轉變溫度可以通過改變使用的單體組成在 90 °C 范圍內進行調整制備聚丙烯酸酯基質。
相關論文以題
為
Shape-Memory Photonic Thermoplastics from Cellulose Nanocrystals
發表在《
A
dvanced Functional Materials
》上。
【主圖導讀】
圖1
手性向列
CNC-SMP 的順序編程和恢復的示意圖。
展開 西安交大 Ungar教授NC：高聚物及其納米復合材料的微觀世界之旅 - 雙光子熒光成像揭示三維空間中高聚物結晶形態的演變機理
為了揭示三維空間中高聚物結晶形態的演變規律，西安交通大學功能軟材料創新團隊的Goran Ungar教授基于雙光子顯微成像技術開發了針對高聚物及其納米復合材料體系的三維成像技術，成功獲得了高聚物球晶的三維圖像，并且揭示了納米粒子在結晶性高聚物中的分散狀態。通過對等規聚丙烯(iPP)和聚乳酸(PLA)結晶形態的三維成像研究，意外發現PLA納米復合材料靜態下結晶形成了類似“碗”、“花瓶”、“圣杯”等不同于球晶的結晶形態(如圖1所示)。這種非球狀的結晶形態打破了人們對經典高分子物理中靜態條件下高聚物結晶形成球晶的認知，進一步研究揭示了非球狀結晶形態源自于薄膜上下表面兩球晶的成核和生長，球晶生長前沿“depletion”區域的負壓作用產生局部熔體流動，誘導球晶之間產生纖維狀晶體，纖維狀晶體進一步橫向生長最終生成C∞對稱性結晶形態。
圖1. PLA納米復合材料中觀察到的非球狀結晶形態
熒光分子標記物/高聚物體系
如圖2a1-2a4所示，iPP中加入尼羅紅(NR)熒光分子后，熒光顯微鏡下弱熒光強度的圓形區域與偏光顯微鏡下球晶結構相對應；熒光顯微鏡下球晶邊緣呈現亮環在他們前期的研究工作中已被證實是由于球晶生長時，NR分子被排除到球晶的生長前沿[Polymer 191, 122246 (2020)]。圖2a5還展示了熒光顯微成像的另一個優勢，即可以清晰地觀察到球晶碰撞界面由于結晶收縮從蓋玻片表面脫離而產生的牛頓環。為了實現高聚物球晶的三維成像，他們將雙光子熒光成像技術發展至高聚物及其納米復合材料領域。圖2b1和2b2考察對比了單光子和雙光子熒光成像技術，雙光子熒光成像技術在z方向有更高的空間分辨率，并且穿透深度更大。
展開 業界領先的光子學仿真工具 | 《Ansys Lumerical產品解決方案》現已開放領取
Ansys Lumerical包含以下模塊：
· FDTD--微納光子器件仿真的標準工具
· Stack--分析多層膜的最佳仿真工具
· RCWA--分析平面波入射到周期性結構上的光學響應
· MODE--基于光波導設計環境的專業仿真和綜合分析工具
· Charge--對有源光子和光電半導體器件中的電荷傳輸提供正確的工具進行綜合全面的仿真
· Heat--提供綜合全面的熱仿真功能
· DGTD--解決最具挑戰性的納米光子模擬
· FEEM--對復雜幾何形狀和材料中的波導模式，等效折射率，電場分布等進行高精度分析
· MQW--準確模擬帶結構、增益、以及多量子阱結構的自發輻射特性
· Interconnect--光子集成電路仿真器，可驗證多模、雙向和多通道PIC
· CML Compiler--高效、自動化地創建緊湊模型庫
· 拓展應用
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展開 自然材料中的平面內各向異性極化激元
由蘇州大學功能納米與軟物質研究院為第一署名單位撰寫的論文在 2018年 10月24日出版的《Nature》雜志上發表（DOI: 10.1038/s41586-018-0618-9）。該工作主要介紹研究了面內各向異性和超低損耗聲子極化激元研究中取得的重要成果（如圖1），該研究發現被壓縮的納米光場在天然的各向異性二維材料α相三氧化鉬中的傳播具有各向異性，并且具有超長的壽命，為構建新型平面光學器件以實現低損耗的信號處理和光熱能量控制，以及高靈敏的生物化學傳感等開辟了新的通道。
圖1. 各向異性聲子極化激元在二維材料α相三氧化鉬表面傳播示意圖
未來的信息和通訊技術不僅僅依賴于對電子的操控，而且還得借助納米尺度下對光的調制。多年來，將光壓縮到很小的尺度并進行操控和調制一直是納米光子學的核心課題。目前，一種比較成功而有效的途徑是通過將光與物質中震蕩分布的電荷耦合形成極化激元。
固體（晶體）中包含了大量原子，晶體中的原子按照一定的規律排列，但是這些原子并不是靜止不動的，他們會在平衡位置處不斷進行振動，同時每個原子的振動都要牽動周圍的原子，使振動以彈性波的形式在晶體中傳播，如果個體相互之間的運動有規律則會呈現類似波浪的效果。而攜帶傳輸彈性波能量的量子化的最小單元就是聲子，因此往往用聲子的行為來描述晶體中的簡諧振動。當光照射到晶體上時，如果入射光的頻率和晶格的振蕩頻率一致，那么光和晶格共同的作用就會衍生出另外一種波（粒子），這種由光子和聲子耦合形成的新的準粒子就是聲子極化激元。
展開 JCMsuite應用：太陽能電池的抗反射惠更斯超表面模擬
雖然對納米光子系統的理解不斷深入，但由于缺乏可擴展性，只有少數提出的設計在工業被上接受。在本應用中，一種定制的無序排列的高折射率介質亞微米量級的二氧化鈦(TiO2)圓盤作為標準異質結硅太陽能電池的抗反射惠更斯超表面在試驗中進行開發。無序陣列使用基于膠體自組裝的可伸縮自下而上的技術制造，該技術幾乎不考慮設備的材料或表面形態。我們觀察到，與采用優化的平坦抗反射ITO層的參考電池相比，反射率的寬頻帶降低導致短路電流相對改善5.1%。我們討論了在保持螺旋度的框架下超表面的光學性能，這可以通過調整其尺寸在特定波長下實現對一個孤立圓盤沿對稱軸的照明。
本工作中所考慮的太陽能電池結構示意圖。Rdiff和Rspec表示漫反射和鏡面反射部分。該圓盤是在異質結技術(HJT)后發射極太陽能電池上沉積的，其表面是用非晶硅(aSi)固有層和n+摻雜層鈍化的未拋光的平面硅片ITO薄膜既是減反射涂層(ARC)，也是正面觸點。
(左圖，中間圖)不同放大倍數的太陽能電池頂部圓盤的電子顯微圖。左邊的圖突出了單個圓盤的特性，而中間的SEM圖突出了樣本的一致性。(右圖)39 × 39 mm涂層太陽能電池的照片。
通過Born近似計算的圓盤圖案的反射率和單個圓盤的有限元模擬（本文討論的數值模擬是基于有限元方法(FEM)的軟件JCMsuite）。測量圓盤涂層樣品和調整平板的反射率ARC (50 nm厚度的ITO)的圓盤結構。一個標準的平面ARC參考(80 nm厚度的ITO)作為比較。
展開 Seagate深入使用Ansys仿真解決方案推進全球數據存儲
與相對割裂的仿真解決方案相比，采用Ansys的通用產品平臺可大幅節省時間，讓Seagate能夠深入研究其他領域，比如他們采用了Ansys Lumerical來研究光學領域，其為納米光子器件、流程和材料建模的黃金標準工具。
Seagate工程副總裁Chris Woldemar表示：“如期實現容量、性能和環境目標需要在所有工程學科中開展更多仿真任務。Ansys解決方案所提供的技術和商業價值可幫助Seagate最大限度地發揮數據的潛力，并對我們的解決方案更有信心。”
Ansys首席技術官Prith Banerjee指出：“Ansys非常榮幸能夠為Seagate的尖端技術發展提供工具支持。仿真可以通過頂級數據存儲進行增強，同時通過仿真又能改進相同的數據存儲解決方案。高級存儲能夠增強光學、芯片研發和AI/ML發展等關鍵領域的仿真前景。”
展開 eLight·封面 | 源調控對稱破缺極化激元
光子作為一種“后摩爾時代”信息傳遞的理想載體之一，因其傳輸速度快、能耗低、容量高等優勢而備受推崇。然而，光子本身不帶電荷，無法像電子那樣直接通過電學方式調控，且其波動性會受到光學衍射極限的限制。因此，如何在納米尺度上實現光子的高度局域和精確操控成為一個重要而具有挑戰性的科學難題。極化激元作為一種由光和物質相互作用產生的“半光-半物質”準粒子，憑借其光場局域性強和傳播損耗小的優點，有望應用于構建下一代高效率、高性能、低能耗的集成納米光子器件。特別是在高度各向異性介質中產生的雙曲極化激元（hyperbolic polaritons），在不考慮損耗的情況下理論上可以支持無限大的波矢傳播，進而把光場壓縮到無限小的尺度。
極化激元的激發和傳播與材料的對稱性密切相關。最近的研究表明，在低對稱單斜晶體中存在一種特殊的雙曲剪切極化激元（hyperbolic shear polaritons），由于單斜晶體介電常數張量的非對角化，其雙曲波前表現出明顯的鏡像對稱破缺，進一步增強了極化激元傳播的定向性。然而，低對稱晶體存在著傳播損耗大的問題，而傳統高對稱性晶體中的本征雙曲極化激元又總呈現出鏡像對稱性，這些因素都不利于實現極化激元的高效定向傳播。
針對上述問題，華中科技大學張新亮、李培寧團隊與中國地質大學（武漢）戴志高教授合作，提出了一種通過控制激發源的極化特性打破雙曲極化激元鏡像對稱性，實現納米尺度光場定向傳輸的新策略。
他們通過研究近場激發源對面內雙曲極化激元的影響機制，從理論和實驗上證明：在不依賴晶體結構的對稱性條件下，可以通過面內偶極矩直接誘發雙曲材料中對稱破缺的雙曲極化激元，從而實現雙曲極化激元在高對稱晶體中低損耗和低對稱晶體中高定向的優勢融合。
展開 
電子冷卻：過去、現在和未來
當 LED 中的電流沿與正常方向相反的方向流動時，光子密度會下降。該團隊開展的這項工作有望推動納米光子冷卻的發展。這種冷卻方式為未來的片上冷卻提供了絕佳的機會。
參考
1.未來的冷卻電子產品。 基礎能源科學。
2. 羅斯，瑪麗。電子冷卻 CFD 趨勢。
https://www.6sigmaet.info/resources/whitepapers/electronics-cooling-cfd-trends/
文章來源：cadence博客
國家納米中心唐智勇Adv. Mater. 綜述：磁圓二色譜在納米材料領域的應用:深入理解和調控激子和
在摻雜半導體納米晶體體系，MCD技術能夠直接測量Zeeman分裂的增強效應；對于貴金屬納米結構，MCD技術揭示了局域SPR的對稱性起源，以上為調控磁光效應奠定了基礎。然而，需要指出的是，盡管MCD具有重要的應用價值，由于缺乏及時的總結，目前研究人員對于MCD技術在納米體系中的應用仍缺乏廣泛的認知和理解。
【成果簡介】
磁性圓二色譜( MCD )在揭示材料電子態信息方面具有獨特優勢，為探索納米光學材料的結構和磁光特性之間的關系提供了新的機會。近日，國家納米中心的唐智勇教授（通訊作者）在Advanced Materials上發表文章，題為“Magnetic Circular Dichroism in Nanomaterials: New Opportunity in Understanding and Modulation of Excitonic and Plasmonic Resonances”。本文綜述了MCD技術在半導體和貴金屬納米材料中應用的代表性研究。MCD在闡明半導體納米晶體中的激子躍遷、貴金屬納米團簇中的電子躍遷以及貴金屬納米結構中的等離激元共振的結構信息方面具有不可取代的作用。憑借這些優勢，MCD技術在評估具有不同化學成分、幾何形狀、組裝構象和耦合效應的納米材料的激子和等離激元光學活性的磁調制方面顯示出無可匹敵的能力。了解利用MCD技術調控納米尺度磁光效應的關鍵因素將極大地促進半導體和貴金屬納米材料在傳感、自旋電子學、納米光子學等領域的應用。
展開 Ansys Optics Launcher 提升客戶體驗
Lumerical是模擬納米光子器件、工藝和材料的選擇，利用強大的算法在波長尺度上解決復雜的電磁問題，軟件提供了一個集成的設計環境，具有腳本功能，先進的后處理和優化功能。此外，通過與Speos和OpticStudio的數據交換接口，Lumerical實現了從亞波長到宏觀尺度的完整集成光學解決方案。
設計高精度的光學元件和組件，光學工程師和設計師使用的OpticStudio，提供了模擬，優化和公差等成像設計所需的一切。借助OpticStudio可以精確地設計各種應用的光學元件，從手機攝像頭到激光束擴展器，抬頭顯示等等。為了進一步簡化復雜的設計工作流程，可以動態地將OpticStudio鏈接到Lumerical的RCWA求解器，以計算使用Lumerical設計的復雜二維光柵的衍射效率(當Lumerical FDTD安裝在同一臺PC上時)。這個功能可以使用聯合仿真來優化光柵設計，以實現在高級增強現實(AR)和抬頭顯示器(HUD)系統中使用的最佳性能。
展開 一期一會 | 表面等離子體光子學詳解及其應用
本專題將以“一期一會”的形式，攜手各領域專家，圍繞Ansys全產品線的技術優勢，帶您深入解析流體、結構、電子設計及電磁仿真、光學、光子學、半導體、自動駕駛、汽車、聲學、航空航天、材料等多個關鍵領域，讓復雜的專業知識觸手可及。
在過去的幾十年中，電子和光子學取得了長足的進步，顯著改進了數據處理技術，使我們的生活發生了翻天覆地的變化。
表面等離子體光子學描述了在金屬-電介質界面上對光信號進行納米級（十億分之一米）操作。受光子學的啟發，表面等離子體光子學利用了金屬納米結構的獨特屬性，使得在近原子尺度下傳輸光信號成為可能。
在同一半導體芯片上集成傳統的光子學和電子學與表面等離子體光子學具有顯著的優勢，可創造出超高速的計算機芯片和光通信器件，并為超靈敏傳感器和顯微鏡提供動力。
什么是表面等離子體？
當加州理工學院的Atwater教授于2007年首次提出表面等離子體光子學概念時，他預測該技術將催生一系列應用，包括從超靈敏的生物傳感到隱身斗篷。
無論何種應用，表面等離子體光子學都依賴于在金屬-電介質界面操作電磁場和自由電子之間的相互作用——電介質是一種可在電場的作用下極化的絕緣體（如玻璃或空氣）。控制金屬電氣和光學屬性的自由電子會在電磁場（即光）中振蕩，并產生一種被稱為表面等離子體的現象。
什么是表面等離子體共振？
在納米級，自由電子被限制在微小的空間區域里，從而限制了其振動的頻率范圍。當與光相互作用時，自由電子會吸收與其振動頻率相匹配的光（同時反射其余部分的光），這意味著它們處于共振狀態，因此成為“表面等離子體共振”（SPR）。SPR可應用于納米棒、納米線、納米光子和其他形式的納米技術。
表面等離子體光子學的技術驅動因素
自首批基于芯片的半導體問世以來，我們這個數據驅動型社會已取得長足發展，并生產出了越來越小、越來越快的處理器。
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