納米光子學(xué)的案例
Photonics | 等離激元納米天線揭示細(xì)菌酶分子振蕩
這種基于等離激元光學(xué)納米天線的酶分子周期振蕩特性的觀測(cè)將為深入研究細(xì)菌跨物種通訊、細(xì)菌與宿主細(xì)胞之間的通訊以及與細(xì)菌感染相關(guān)重大疾病的傳播機(jī)制提供了新方法，也為研究超級(jí)細(xì)菌耐藥性問(wèn)題提供了新思路，還將為揭示生物系統(tǒng)中其他酶分子等生物分子的生物振蕩提供了新見(jiàn)解。
部分作者簡(jiǎn)介
辛洪寶，暨南大學(xué)納米光子學(xué)研究院教授、副院長(zhǎng)、博士生導(dǎo)師。本科和博士畢業(yè)于中山大學(xué)，之后在新加坡國(guó)立大學(xué)和加州大學(xué)伯克利分校進(jìn)行博士后研究，于2018年7月加入暨南大學(xué)納米光子學(xué)研究院。長(zhǎng)期從事生物光子學(xué)和微納光子學(xué)的研究，主要研究興趣包括光鑷與光學(xué)操控、光控生物微馬達(dá)與微納機(jī)器人、納米等離激元與生物分子探測(cè)等。任APL Photonics、中國(guó)激光等期刊青年編委。以第一/通訊作者在Nature Photonics、Nature Reviews Materials、Light: Science & Applications、Nature Communications等發(fā)表論文30余篇。課題組長(zhǎng)期招聘博士后和青年教師。
論文信息
Lu, D., Zhu, G., Li, X. et al. Dynamic monitoring of oscillatory enzyme activity of individual live bacteria via nanoplasmonic optical antennas. Nat. Photon. (2023).
https://doi.org/10.1038/s41566-023-01265-2
文章來(lái)源：中國(guó)光學(xué)
展開(kāi) 美科學(xué)家成功制備出由單一同位素組成的六方氮化硼
據(jù)美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室2018年1月4日?qǐng)?bào)道，美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室NRL（Naval Research Laboratory）一個(gè)由物理學(xué)家組成的科研團(tuán)隊(duì)已經(jīng)找到改善六方氮化硼器件光學(xué)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(xué)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(jí)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(xué)的光學(xué)材料，被認(rèn)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(zhì)量相差達(dá)10%的B-10和B-11兩種同位素組成。這兩種同位素的原子質(zhì)量差異使得由聲子散射造成的光學(xué)性能大量損失，進(jìn)而限制了該材料的潛在應(yīng)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(jīng)證明，可以通過(guò)在極性半導(dǎo)體和介電材料中精心設(shè)計(jì)同位素來(lái)克服納米光子學(xué)固有的效率限制?！痹摌悠纺軌蝻@著降低六方氮化硼的光學(xué)損耗，與天然六方氮化硼相比，光頻振動(dòng)模式的傳動(dòng)距離和持久性都高出多達(dá)3倍。這種振動(dòng)模式不僅使得六方氮化硼樣品具有近場(chǎng)光學(xué)和化學(xué)傳感特性，還為開(kāi)發(fā)和制備具有相似性質(zhì)的其它材料提供了一種可借鑒方法。
研究人員還包括來(lái)自于加州大學(xué)圣迭戈分校（University ofCalifornia San Diego）、堪薩斯州立大學(xué)（Kansas StateUniversity）、橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Oak Ridge National Laboratory)、哥倫比亞大學(xué)（ColumbiaUniversity）和范德堡大學(xué)（Vanderbilt University）的科學(xué)家。
來(lái)源：新材料技術(shù)前沿
傳播最新最全的材料科學(xué)技術(shù)，包括金屬材料成形、熱加工、陶瓷冶金，機(jī)械加工、粉末冶金、表面處理技術(shù)、熱處理、3D打印技術(shù)等相關(guān)材料科學(xué)技術(shù)。
展開(kāi) Ansys | 什么是表面等離子體光子學(xué)及其應(yīng)用
在過(guò)去的幾十年中，電子和光子學(xué)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，顯著改進(jìn)了數(shù)據(jù)處理技術(shù)，使我們的生活發(fā)生了翻天覆地的變化。
表面等離子體光子學(xué)描述了在金屬-電介質(zhì)界面上對(duì)光信號(hào)進(jìn)行納米級(jí)（十億分之一米）操作。受光子學(xué)的啟發(fā)，表面等離子體光子學(xué)利用了金屬納米結(jié)構(gòu)的獨(dú)特屬性，使得在近原子尺度下傳輸光信號(hào)成為可能。
在同一半導(dǎo)體芯片上集成傳統(tǒng)的光子學(xué)和電子學(xué)與表面等離子體光子學(xué)具有顯著的優(yōu)勢(shì)，可創(chuàng)造出超高速的計(jì)算機(jī)芯片和光通信器件，并為超靈敏傳感器和顯微鏡提供動(dòng)力。
什么是表面等離子體？
當(dāng)加州理工學(xué)院的Atwater教授于2007年首次提出表面等離子體光子學(xué)概念時(shí)，他預(yù)測(cè)該技術(shù)將催生一系列應(yīng)用，包括從超靈敏的生物傳感到隱身斗篷。
無(wú)論何種應(yīng)用，表面等離子體光子學(xué)都依賴于在金屬-電介質(zhì)界面操作電磁場(chǎng)和自由電子之間的相互作用——電介質(zhì)是一種可在電場(chǎng)的作用下極化的絕緣體（如玻璃或空氣）?？刂平饘匐姎夂凸鈱W(xué)屬性的自由電子會(huì)在電磁場(chǎng)（即光）中振蕩，并產(chǎn)生一種被稱為表面等離子體的現(xiàn)象。
什么是表面等離子體共振？
在納米級(jí)，自由電子被限制在微小的空間區(qū)域里，從而限制了其振動(dòng)的頻率范圍。當(dāng)與光相互作用時(shí)，自由電子會(huì)吸收與其振動(dòng)頻率相匹配的光（同時(shí)反射其余部分的光），這意味著它們處于共振狀態(tài)，因此成為“表面等離子體共振”（SPR）。SPR可應(yīng)用于納米棒、納米線、納米光子和其他形式的納米技術(shù)。
表面等離子體光子學(xué)的技術(shù)驅(qū)動(dòng)因素
自首批基于芯片的半導(dǎo)體問(wèn)世以來(lái)，我們這個(gè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型社會(huì)已取得長(zhǎng)足發(fā)展，并生產(chǎn)出了越來(lái)越小、越來(lái)越快的處理器。然而，器件尺寸不斷縮小給其自身帶來(lái)了挑戰(zhàn)，同時(shí)也使其受到熱問(wèn)題和處理速度的限制。
光學(xué)互連，憑借其大帶寬（數(shù)據(jù)傳輸容量），提供了一種前景光明的解決方案。
展開(kāi) 一期一會(huì) | 表面等離子體光子學(xué)詳解及其應(yīng)用
本專題將以“一期一會(huì)”的形式，攜手各領(lǐng)域?qū)＜?，圍繞Ansys全產(chǎn)品線的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，帶您深入解析流體、結(jié)構(gòu)、電子設(shè)計(jì)及電磁仿真、光學(xué)、光子學(xué)、半導(dǎo)體、自動(dòng)駕駛、汽車、聲學(xué)、航空航天、材料等多個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域，讓復(fù)雜的專業(yè)知識(shí)觸手可及。
在過(guò)去的幾十年中，電子和光子學(xué)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，顯著改進(jìn)了數(shù)據(jù)處理技術(shù)，使我們的生活發(fā)生了翻天覆地的變化。
表面等離子體光子學(xué)描述了在金屬-電介質(zhì)界面上對(duì)光信號(hào)進(jìn)行納米級(jí)（十億分之一米）操作。受光子學(xué)的啟發(fā)，表面等離子體光子學(xué)利用了金屬納米結(jié)構(gòu)的獨(dú)特屬性，使得在近原子尺度下傳輸光信號(hào)成為可能。
在同一半導(dǎo)體芯片上集成傳統(tǒng)的光子學(xué)和電子學(xué)與表面等離子體光子學(xué)具有顯著的優(yōu)勢(shì)，可創(chuàng)造出超高速的計(jì)算機(jī)芯片和光通信器件，并為超靈敏傳感器和顯微鏡提供動(dòng)力。
什么是表面等離子體？
當(dāng)加州理工學(xué)院的Atwater教授于2007年首次提出表面等離子體光子學(xué)概念時(shí)，他預(yù)測(cè)該技術(shù)將催生一系列應(yīng)用，包括從超靈敏的生物傳感到隱身斗篷。
無(wú)論何種應(yīng)用，表面等離子體光子學(xué)都依賴于在金屬-電介質(zhì)界面操作電磁場(chǎng)和自由電子之間的相互作用——電介質(zhì)是一種可在電場(chǎng)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(xué)屬性的自由電子會(huì)在電磁場(chǎng)（即光）中振蕩，并產(chǎn)生一種被稱為表面等離子體的現(xiàn)象。
什么是表面等離子體共振？
在納米級(jí)，自由電子被限制在微小的空間區(qū)域里，從而限制了其振動(dòng)的頻率范圍。當(dāng)與光相互作用時(shí)，自由電子會(huì)吸收與其振動(dòng)頻率相匹配的光（同時(shí)反射其余部分的光），這意味著它們處于共振狀態(tài)，因此成為“表面等離子體共振”（SPR）。SPR可應(yīng)用于納米棒、納米線、納米光子和其他形式的納米技術(shù)。
表面等離子體光子學(xué)的技術(shù)驅(qū)動(dòng)因素
自首批基于芯片的半導(dǎo)體問(wèn)世以來(lái)，我們這個(gè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型社會(huì)已取得長(zhǎng)足發(fā)展，并生產(chǎn)出了越來(lái)越小、越來(lái)越快的處理器。
展開(kāi) 
自然材料中的平面內(nèi)各向異性極化激元
由蘇州大學(xué)功能納米與軟物質(zhì)研究院為第一署名單位撰寫(xiě)的論文在 2018年 10月24日出版的《Nature》雜志上發(fā)表（DOI: 10.1038/s41586-018-0618-9）。該工作主要介紹研究了面內(nèi)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(fā)現(xiàn)被壓縮的納米光場(chǎng)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(zhǎng)的壽命，為構(gòu)建新型平面光學(xué)器件以實(shí)現(xiàn)低損耗的信號(hào)處理和光熱能量控制，以及高靈敏的生物化學(xué)傳感等開(kāi)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?zhèn)鞑ナ疽鈭D
未來(lái)的信息和通訊技術(shù)不僅僅依賴于對(duì)電子的操控，而且還得借助納米尺度下對(duì)光的調(diào)制。多年來(lái)，將光壓縮到很小的尺度并進(jìn)行操控和調(diào)制一直是納米光子學(xué)的核心課題。目前，一種比較成功而有效的途徑是通過(guò)將光與物質(zhì)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(guī)律排列，但是這些原子并不是靜止不動(dòng)的，他們會(huì)在平衡位置處不斷進(jìn)行振動(dòng)，同時(shí)每個(gè)原子的振動(dòng)都要牽動(dòng)周圍的原子，使振動(dòng)以彈性波的形式在晶體中傳播，如果個(gè)體相互之間的運(yùn)動(dòng)有規(guī)律則會(huì)呈現(xiàn)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(lái)描述晶體中的簡(jiǎn)諧振動(dòng)。當(dāng)光照射到晶體上時(shí)，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(huì)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(zhǔn)粒子就是聲子極化激元。
展開(kāi) 光學(xué)的“納米尺度”進(jìn)化，將拉開(kāi)“消費(fèi)光子”的序幕
但當(dāng)器件達(dá)到納米級(jí)時(shí)，電子產(chǎn)生隧穿效應(yīng)，使得電子不容易受控，這對(duì)器件來(lái)說(shuō)是致命打擊。所以有專家稱，操縱電子的極限已經(jīng)逐步來(lái)臨，不能再單純通過(guò)縮小器件尺寸、提升集成度來(lái)增強(qiáng)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?zhèn)鬏斢只ゲ桓蓴_，同時(shí)光計(jì)算具有天然的并行性，可以在一個(gè)時(shí)段內(nèi)同時(shí)進(jìn)行多路計(jì)算，且自身能耗非常低，以目前方興未艾的人工智能來(lái)看，通過(guò)光子可以瞬時(shí)的實(shí)現(xiàn)卷積運(yùn)算。也就是說(shuō)，從未來(lái)科技發(fā)展與應(yīng)用來(lái)看，光計(jì)算是有望代替電計(jì)算，演化為下一代高性能計(jì)算處理器。
但一直以來(lái)，對(duì)于“光機(jī)電算”四大工程領(lǐng)域中，光的體量不及電之萬(wàn)一。從C端應(yīng)用來(lái)看，光學(xué)的實(shí)現(xiàn)主要局限在幾何光學(xué)的設(shè)計(jì)理論范疇與冷光學(xué)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(jí)的范疇；從B端應(yīng)用來(lái)看，光通訊領(lǐng)域最快的見(jiàn)證了“光”代“電”的趨勢(shì)，硅光子技術(shù)正逐步的使得光與電在加速融合。從未來(lái)趨勢(shì)來(lái)看，我們相信，在不久的將來(lái)：
1. 基于其物理特性，光必然會(huì)從“傳輸”領(lǐng)域逐步向“感知”領(lǐng)域、向“思考”領(lǐng)域逐步進(jìn)化 ；
2. 伴隨光進(jìn)入計(jì)算的范疇，光學(xué)的理論實(shí)踐將從幾何光學(xué)向波動(dòng)光學(xué)、甚至更深遠(yuǎn)的粒子光學(xué)升級(jí)；光學(xué)的工藝制成將從一直以來(lái)的冷加工向革新的工藝升級(jí)；
3. 光學(xué)組件的成本在終端的比重會(huì)超過(guò)50%；
4. 正如集成電路的興起引領(lǐng)了消費(fèi)電子的浪潮，光學(xué)的進(jìn)化也將拉開(kāi)“消費(fèi)光子”的序幕。
回溯消費(fèi)電子的發(fā)展歷程，“納米尺度”與“規(guī)模性低成本”是集成電路技術(shù)使得電子進(jìn)入消費(fèi)級(jí)的兩大特征。與之類似，“消費(fèi)光子”序幕的真正拉開(kāi)也必將伴隨這兩大特征的訴求?？v觀目前光學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀：以硅光子技術(shù)為旗艦的有源光學(xué)近年來(lái)發(fā)展迅猛；但反觀體量更大、與消費(fèi)級(jí)更息息相關(guān)的無(wú)源光學(xué)卻依然停留在傳統(tǒng)的“冷光學(xué)”體系
–元件尺寸、精度受工藝限制，導(dǎo)致應(yīng)用局限。
展開(kāi) 《AFM》英屬哥倫比亞大學(xué)：來(lái)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(yīng)材料在可重寫(xiě)光子器件、安全特征和光學(xué)涂層中具有潛在的應(yīng)用。最近，
英屬哥倫比亞大學(xué)
Mark J. MacLachlan
教授
團(tuán)隊(duì)
通過(guò)將
手性向列纖維素納米晶體
(CNC) 嵌入聚丙烯酸酯基質(zhì)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(tài)。
在該系統(tǒng)中，溫度用于對(duì)形狀記憶響應(yīng)進(jìn)行編程，而壓力用于壓縮 CNC 手性向列組織的螺距。通過(guò)增加施加的力（≈140-230 N），結(jié)構(gòu)顏色可以從紅色調(diào)整為藍(lán)色。然后，根據(jù)需要，CNC-SMP 可以通過(guò)將其加熱到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上來(lái)恢復(fù)到其原始狀態(tài)。該循環(huán)可以執(zhí)行 15 次以
上，而不會(huì)損失任何形狀記憶行為或樣品的機(jī)械退化。此外，通過(guò)使用帶圖案的基板按壓樣品，可以將多色讀數(shù)編程到手性向列型
CNC-SMP 中，而 CNC-SMP 的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度可以通過(guò)改變使用的單體組成在 90 °C 范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整制備聚丙烯酸酯基質(zhì)。
相關(guān)論文以題
為
Shape-Memory Photonic Thermoplastics from Cellulose Nanocrystals
發(fā)表在《
A
dvanced Functional Materials
》上。
【主圖導(dǎo)讀】
圖1
手性向列
CNC-SMP 的順序編程和恢復(fù)的示意圖。
展開(kāi) 領(lǐng)先的光子學(xué)仿真工具Ansys Lumerical功能詳解：微納光子器件仿真的標(biāo)準(zhǔn)工具
Ansys Lumerical是業(yè)界領(lǐng)先的光子學(xué)仿真工具，其擁有完整的光子學(xué)仿真解決方案，支持全套光子學(xué)器件級(jí)和系統(tǒng)級(jí)仿真。器件和系統(tǒng)級(jí)工具無(wú)縫協(xié)作，讓設(shè)計(jì)人員能夠?qū)ο嗷プ饔玫墓鈱W(xué)、電氣和熱效應(yīng)進(jìn)行建模仿真。
產(chǎn)品之間靈活的互操作性支持將多物理場(chǎng)仿真和光子電路仿真與第三方EDA工具相結(jié)合的各種工作流程，以幫助優(yōu)化產(chǎn)品性能、最大限度地降低物理原型制作成本并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。
Ansys Lumerical FDTD是業(yè)界公認(rèn)的微納光子器件仿真的標(biāo)準(zhǔn)工具。
這款高性能二維／三維麥克斯韋方程求解軟件，能夠精確分析具有微納尺寸或亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)與紫外、可見(jiàn)、紅外、太赫茲和微波的相互作用，能被廣泛應(yīng)用千微納光電子器件、工藝以及材料的設(shè)計(jì)、分析和優(yōu)化。
FDTD的集成設(shè)計(jì)環(huán)境支持腳本語(yǔ)言操作、高級(jí)后處理和結(jié)構(gòu)優(yōu)化功能，讓用戶可以更專注有效地完成設(shè)計(jì)要求。
規(guī)格概要
二維或三維建模
自定義任意表面和立體形貌
高級(jí)共形網(wǎng)格技術(shù)
靈活的材料插件
支持隨空間變化的各向異性材料
全矢量自定義和高數(shù)值孔徑的寬譜高斯光源
遠(yuǎn)場(chǎng)分析
Q因子分析
自動(dòng)提取S參數(shù)
能帶結(jié)構(gòu)分析
腳本和優(yōu)化程序
支持云計(jì)算和HPC高性能并行計(jì)算
主要特點(diǎn)
光子器件逆向設(shè)計(jì)優(yōu)化
針對(duì)目標(biāo)自動(dòng)化探索最佳設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)；找出性能優(yōu)化、面積最小化并提升工藝匹性的非直觀幾何形狀。
強(qiáng)大的后處理
強(qiáng)大的后處理功能，包括遠(yuǎn)場(chǎng)分析，能帶結(jié)構(gòu)分析，雙向散射分布函數(shù)(BSDF)生成，Q因子分析，電荷產(chǎn)生率。
非線性與各向異性材料
對(duì)含有非線性材料或各向異性空間變化材料的器件進(jìn)行彷真?？梢赃x擇各種非線性、負(fù)折射率和增益的材料模型，或者使用靈活的材料插件自行定義新材料模型。
展開(kāi) 西安交大 Ungar教授NC：高聚物及其納米復(fù)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(jié)晶形態(tài)的演變機(jī)理
為了揭示三維空間中高聚物結(jié)晶形態(tài)的演變規(guī)律，西安交通大學(xué)功能軟材料創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的Goran Ungar教授基于雙光子顯微成像技術(shù)開(kāi)發(fā)了針對(duì)高聚物及其納米復(fù)合材料體系的三維成像技術(shù)，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(jié)晶性高聚物中的分散狀態(tài)。通過(guò)對(duì)等規(guī)聚丙烯(iPP)和聚乳酸(PLA)結(jié)晶形態(tài)的三維成像研究，意外發(fā)現(xiàn)PLA納米復(fù)合材料靜態(tài)下結(jié)晶形成了類似“碗”、“花瓶”、“圣杯”等不同于球晶的結(jié)晶形態(tài)(如圖1所示)。這種非球狀的結(jié)晶形態(tài)打破了人們對(duì)經(jīng)典高分子物理中靜態(tài)條件下高聚物結(jié)晶形成球晶的認(rèn)知，進(jìn)一步研究揭示了非球狀結(jié)晶形態(tài)源自于薄膜上下表面兩球晶的成核和生長(zhǎng)，球晶生長(zhǎng)前沿“depletion”區(qū)域的負(fù)壓作用產(chǎn)生局部熔體流動(dòng)，誘導(dǎo)球晶之間產(chǎn)生纖維狀晶體，纖維狀晶體進(jìn)一步橫向生長(zhǎng)最終生成C∞對(duì)稱性結(jié)晶形態(tài)。
圖1. PLA納米復(fù)合材料中觀察到的非球狀結(jié)晶形態(tài)
熒光分子標(biāo)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(qiáng)度的圓形區(qū)域與偏光顯微鏡下球晶結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)；熒光顯微鏡下球晶邊緣呈現(xiàn)亮環(huán)在他們前期的研究工作中已被證實(shí)是由于球晶生長(zhǎng)時(shí)，NR分子被排除到球晶的生長(zhǎng)前沿[Polymer 191, 122246 (2020)]。圖2a5還展示了熒光顯微成像的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)，即可以清晰地觀察到球晶碰撞界面由于結(jié)晶收縮從蓋玻片表面脫離而產(chǎn)生的牛頓環(huán)。為了實(shí)現(xiàn)高聚物球晶的三維成像，他們將雙光子熒光成像技術(shù)發(fā)展至高聚物及其納米復(fù)合材料領(lǐng)域。圖2b1和2b2考察對(duì)比了單光子和雙光子熒光成像技術(shù)，雙光子熒光成像技術(shù)在z方向有更高的空間分辨率，并且穿透深度更大。
展開(kāi) 國(guó)家納米中心唐智勇Adv. Mater. 綜述：磁圓二色譜在納米材料領(lǐng)域的應(yīng)用:深入理解和調(diào)控激子和
在摻雜半導(dǎo)體納米晶體體系，MCD技術(shù)能夠直接測(cè)量Zeeman分裂的增強(qiáng)效應(yīng)；對(duì)于貴金屬納米結(jié)構(gòu)，MCD技術(shù)揭示了局域SPR的對(duì)稱性起源，以上為調(diào)控磁光效應(yīng)奠定了基礎(chǔ)。然而，需要指出的是，盡管MCD具有重要的應(yīng)用價(jià)值，由于缺乏及時(shí)的總結(jié)，目前研究人員對(duì)于MCD技術(shù)在納米體系中的應(yīng)用仍缺乏廣泛的認(rèn)知和理解。
【成果簡(jiǎn)介】
磁性圓二色譜( MCD )在揭示材料電子態(tài)信息方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，為探索納米光學(xué)材料的結(jié)構(gòu)和磁光特性之間的關(guān)系提供了新的機(jī)會(huì)。近日，國(guó)家納米中心的唐智勇教授（通訊作者）在Advanced Materials上發(fā)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(shù)在半導(dǎo)體和貴金屬納米材料中應(yīng)用的代表性研究。MCD在闡明半導(dǎo)體納米晶體中的激子躍遷、貴金屬納米團(tuán)簇中的電子躍遷以及貴金屬納米結(jié)構(gòu)中的等離激元共振的結(jié)構(gòu)信息方面具有不可取代的作用。憑借這些優(yōu)勢(shì)，MCD技術(shù)在評(píng)估具有不同化學(xué)成分、幾何形狀、組裝構(gòu)象和耦合效應(yīng)的納米材料的激子和等離激元光學(xué)活性的磁調(diào)制方面顯示出無(wú)可匹敵的能力。了解利用MCD技術(shù)調(diào)控納米尺度磁光效應(yīng)的關(guān)鍵因素將極大地促進(jìn)半導(dǎo)體和貴金屬納米材料在傳感、自旋電子學(xué)、納米光子學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用。
展開(kāi) Ansys Lumerical光子學(xué)仿真工具介紹
Ansys Lumerical是業(yè)界領(lǐng)先的光子學(xué)仿真工具，其擁有完整的光子學(xué)仿真解決方案，支持全套光子學(xué)器件級(jí)和系統(tǒng)級(jí)仿真。器件和系統(tǒng)級(jí)工具無(wú)縫協(xié)作，讓設(shè)計(jì)人員能夠?qū)ο嗷プ饔玫墓鈱W(xué)、電氣和熱效應(yīng)進(jìn)行建模仿真。產(chǎn)品之靈活的互操作性支持將多物理場(chǎng)仿真和光子電路仿真與第三方EDA工具相結(jié)合的各種工作流程，以幫助優(yōu)化產(chǎn)品性能、最大限度地降低物理原型制作成本并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。
Ansys Lumerical FDTD
Ansys Lumerical FDTD是業(yè)界公認(rèn)的微納光子器件仿真的標(biāo)準(zhǔn)工具。這款高性能二維/三維麥克斯韋方程求解軟件，能夠精確分析具有微納尺寸或亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)與紫外、可見(jiàn)、紅外、太赫茲和微波的相互作用，能被廣泛應(yīng)用于微納光電子器件、工藝以及材料的設(shè)計(jì)、分析和優(yōu)化。FDTD的集成設(shè)計(jì)環(huán)境支持腳本語(yǔ)言操作、高級(jí)后處理和結(jié)構(gòu)優(yōu)化功能，讓用戶可以更專注有效地完成設(shè)計(jì)要求。
Ansys Lumerical Stack
STACK 是分析多層膜的最佳仿真工具，和求解麥克斯韋方程相比能迅速仿真如抗反射膜、OLED、VCSEL等組件的光學(xué)特性。能精準(zhǔn)描述多層膜的波動(dòng)光學(xué)特性，如干涉以及微腔效應(yīng)，并支持平面波和偶極子光源。STACK 支持腳本運(yùn)算，通過(guò)API能和Python 或Matlab 互操作。
展開(kāi) 
硅光子學(xué)的“最后一米”難題
綜合硅數(shù)字邏輯、光電子學(xué)以及光纖通信技術(shù)的潛力，一切似乎皆有可能。
按照當(dāng)時(shí)工程師們的設(shè)想，這些技術(shù)將持續(xù)發(fā)展和融合，直到光子技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合，并最終取代電子技術(shù)。光子技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)跨國(guó)數(shù)據(jù)傳輸，還可以在數(shù)據(jù)中心之間甚至是計(jì)算機(jī)之間傳輸數(shù)據(jù)。工程師們認(rèn)為，通過(guò)光纖可以在芯片間傳輸數(shù)據(jù)，甚至設(shè)想出了光子芯片：很多人都期待將來(lái)有一天極速邏輯芯片可以利用光子而非電子。
但是，這樣的設(shè)想并未實(shí)現(xiàn)。企業(yè)和政府曾投入億萬(wàn)美元用于研究新型光器件和系統(tǒng)，利用光纖將數(shù)據(jù)中心內(nèi)部計(jì)算機(jī)服務(wù)器的機(jī)架連接起來(lái)。誠(chéng)然，很多現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心的機(jī)架都利用這些光設(shè)備進(jìn)行連接。然而光子技術(shù)也就到此為止了。在機(jī)架內(nèi)部，單個(gè)服務(wù)器板仍然使用廉價(jià)的銅纜和高速電子器件相互連接。當(dāng)然，在電路板上，連接處理器的都是金屬導(dǎo)線。
將光子技術(shù)推向服務(wù)器本身、用光纖直接連接處理器的嘗試，因經(jīng)濟(jì)原因觸礁而失敗了。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研公司光計(jì)數(shù)公司（Light Counting）的調(diào)查，以太網(wǎng)光收發(fā)設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)到年均40億美元，到2020年這個(gè)市場(chǎng)將擴(kuò)大到近45億美元和5000萬(wàn)套器件，這不可否認(rèn)。但是時(shí)至今日，光子技術(shù)仍未解決數(shù)據(jù)中心計(jì)算機(jī)機(jī)架與處理器芯片間最后幾米的問(wèn)題。
不過(guò)，光子技術(shù)的巨大潛力意味著仍有希望。雖然技術(shù)挑戰(zhàn)仍十分巨大，但數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)的新思路為大數(shù)據(jù)時(shí)代的光子技術(shù)革命提供了一條看似可行的道路。
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在當(dāng)今的數(shù)字化世界中，無(wú)論是上網(wǎng)、觀看網(wǎng)絡(luò)電視，還是做任何其他事情，人們所使用的數(shù)據(jù)流都會(huì)經(jīng)過(guò)光電收發(fā)器。光電收發(fā)器的作用是實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換。在各大云服務(wù)提供商及社交媒體公司的數(shù)據(jù)中心內(nèi)部，這些收發(fā)器就位于用于在數(shù)據(jù)中心之間傳輸數(shù)據(jù)的光纖的端點(diǎn)處。收發(fā)器與每個(gè)服務(wù)器機(jī)架頂部的交換設(shè)備相連接，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并傳輸?shù)皆摍C(jī)架中的服務(wù)器組。
展開(kāi) . | Sagnac干涉在集成光子學(xué)中的應(yīng)用
圖1：典型光學(xué)干涉器的基本結(jié)構(gòu)
圖2：Sagnac干涉器的發(fā)明者法國(guó)物理學(xué)家Georges Sagnac (1869 ? 1928) 以及基于Sagnac干涉的光學(xué)器件的發(fā)展歷程
其次，論文將集成Sagnac干涉器作為集成光子器件中的基本結(jié)構(gòu)單元，和其他基本結(jié)構(gòu)單元如馬赫曾德干涉器，環(huán)形諧振器，以及光子晶體諧振腔，布拉格光柵進(jìn)行了特性對(duì)比(圖3-5)，并對(duì)集成Sagnac干涉器件的仿真建模方法進(jìn)行了具體介紹。
圖3：集成光子器件中的基本結(jié)構(gòu)單元 (a) 定向耦合器， 以及以其為基礎(chǔ)衍生的二級(jí)結(jié)構(gòu)單元包括 (b) 馬赫曾德干涉器，(c) 環(huán)形諧振器，和 (d) Sagnac 干涉器
圖4：集成馬赫曾德干涉器，分插復(fù)用型環(huán)形諧振器，以及級(jí)聯(lián)Sagnac干涉器的幅頻響應(yīng)對(duì)比
圖5：集成一維光子晶體諧振腔，布拉格光柵，以及級(jí)聯(lián)Sagnac干涉器的幅頻響應(yīng)對(duì)比
然后，論文對(duì)Sagnac干涉器件在集成光子學(xué)中的具體應(yīng)用進(jìn)行了分類總結(jié)，包括集成反射鏡，光陀螺儀(圖6)，光濾波器(圖7)，頻域交織器，量子物理現(xiàn)象的光學(xué)類似(圖8)，以及其他應(yīng)用。其中光陀螺儀作為Sagnac干涉的典型應(yīng)用，又具體分為基于波導(dǎo)干涉的光陀螺儀，基于無(wú)源諧振腔的光陀螺儀，和基于布里淵環(huán)形激光器的光陀螺儀。
展開(kāi) 基于特殊Epsilon微腔的定向輻射冷卻
納米光子學(xué)的進(jìn)步，使熱發(fā)射在動(dòng)量域和頻率域的調(diào)節(jié)成為可能。由于設(shè)計(jì)原理的復(fù)雜性，角度選擇熱發(fā)射比波長(zhǎng)選擇熱發(fā)射更具挑戰(zhàn)性。早期試圖將熱發(fā)射轉(zhuǎn)向某一方向的嘗試僅限于窄光譜或特定極化，導(dǎo)致當(dāng)在整個(gè)光譜中平均時(shí)，它們的角選擇性變得適中，因此它們的平均(8?14 μm)發(fā)射率(εave)和角選擇性是名義的。因此尚未報(bào)道實(shí)質(zhì)性的定向輻射冷卻效應(yīng)。此外，定向熱發(fā)射器或輻射冷卻器的實(shí)際用途仍然不清楚。
02
成果掠影
近期，華中科技大學(xué)胡潤(rùn)副教授、韓國(guó)慶熙大學(xué)Eungkyu Lee和Sun-Kyung Kim教授團(tuán)隊(duì)制備了一種寬帶定向輻射冷卻器，在p和s極化中都具有高振幅側(cè)發(fā)射。采用貝葉斯優(yōu)化方法對(duì)其多維結(jié)構(gòu)的變量進(jìn)行優(yōu)化，使目標(biāo)光譜中的角選擇性和總半球發(fā)射率εT達(dá)到最大。用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝精確制造了該結(jié)構(gòu)。利用能量-動(dòng)量色散揭示了定向發(fā)射的基本物理原理，定向發(fā)射在多個(gè)特殊的epsilon波長(zhǎng)處達(dá)到峰值。作者發(fā)現(xiàn)，由于溫室效應(yīng)，全方位熱發(fā)射器在封閉系統(tǒng)中可能無(wú)效。相比之下，該研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的側(cè)發(fā)射熱發(fā)射器即使在封閉系統(tǒng)中也能保持冷卻性能。此外，它還可以為靠近光電器件的用戶提供熱舒適。相關(guān)研究成果以“Directional Radiative Cooling via Exceptional Epsilon-Based Microcavities”為題發(fā)表于《ACS Nano》。
03
圖文導(dǎo)讀
圖1 氧化物基熱輻射器。
展開(kāi) 《Science》3D打印革命性升級(jí)！只要光照幾十秒，完美雕像浮出
Indrasen Bhattacharya，UC伯克利應(yīng)用科學(xué)技術(shù)博士，主要研究新型半導(dǎo)體光電器件、納米激光器、硅光子集成、納米光子學(xué)、計(jì)算光學(xué)成像、計(jì)算機(jī)斷層掃描和成像等技術(shù)。
Hossein Heidari，也是UC伯克利機(jī)械工程系博士，Brett E. Kelly的同門師弟，研究納米制造相關(guān)方向。
來(lái)源：量子位
