利用光的折射，我們佩戴眼鏡來矯正視力，看清物體；使用望遠鏡、顯微鏡來拓寬視野，上觀星空，下察纖毫。

統計表明，人類獲取的信息有80%以上通過光學獲得。與此同時，在先進制造技術的推動下，人類能夠控制和利用的物質結構進入到納米尺度，產生了紛繁多樣的納米技術。試想一下，當變幻莫測的光學遇上了“錙銖必較”的納米技術，將會碰撞出怎樣的火花？

在2018年12月4-5日召開的以“納米光子學材料”為主題的第Y3次香山科學會議上，與會專家紛紛為這對“佳偶”的發展帶來了最新研究成果與建設性意見。

當光遇上納米技術

20世紀60年代，隨著激光和光纖的發明，光子學應運而生。

智能手機就是光子學重要性的經典例證：人們利用激光制造手機外殼；利用光刻技術制造微電子電路......

伴隨著現代微納米加工技術的不斷發展，科學家擁有了在納米尺度上操縱光子的前所未有的能力，衍生出了納米光子學這一交叉學科。納米光子學主要研究在納米尺度上光與物質的相互作用，并在納米尺度對光的散射、透射、吸收、折射、量子態等進行調控。

此次會議執行主席之一、國家納米科學中心研究員戴慶介紹，當材料的尺寸縮小到納米尺度后，會產生許多新奇的光電效應。“例如出現量子限域效應，可以通過改變納米結構的尺寸來調節量子點的發光；利用納米結構能夠在亞波長尺度對光進行調控，如對不同頻率的光具有不同的透射、反射，從而產生類似孔雀羽毛的結構色；同時，在金屬納米結構上可以激發出等離激元，突破光的衍射極限。”

“這是場浪漫的邂逅，當光學遇到納米技術會產生不一樣的物理反應。”本次會議執行主席之一、南京大學現代工程與應用科學學院教授李濤表示，兩者的結合將極大增強光與物質的相互作用，有望實現光子學器件的小型化、構建超級透鏡、實現負折射和光學隱身、獲得超靈敏檢測等，并為下一代信息獲取、處理、傳輸等相關技術提供新的途徑。

光學的“納米尺度”進化

納米尺度通常定義為1~100納米，1納米是十億分之一米。在光子學領域，正在研究的光波長尺度大約是百納米到1微米（1000納米）。在小于光波長的尺度上開展光與物質相互作用的研究并了解其背后的物理機制非常重要。

其中，以金屬納米結構的光學性質為核心發展起來的表面等離激元光子學最令人矚目。表面等離激元是材料中的電子被激發后以光頻集體振動，以波的形式沿材料表面傳播的一種元激發。類似于石頭拋在水中會激起水波沿水面傳播。

“光場的局域增強和亞波長束縛的傳播是在納米尺度上實現對光的操控的兩個核心基礎。”武漢大學物理科學與技術學院教授、中國科學院院士徐紅星介紹。例如，成對的金屬納米顆粒在光場的作用下能夠產生強烈的表面等離激元共振，驅動金屬顆粒上的自由電子通過納米間隙產生電磁耦合，將特定頻率的光束縛在極其微小的空間中，產生巨大的電磁場增強效應，是單分子靈敏度的表面增強拉曼光譜的原因。

研究還發現表面等離激元在光的驅動下呈現出克服光學衍射極限的傳播模式，金屬納米線表面等離激元非常敏感地依賴于納米波導的結構、介電環境和激發方式，并可以呈現手性傳播。

中科院物理所研究員魏紅介紹，利用納米線上的傳播型表面等離激元，可以區分耦合體系中激子的不同能量衰減通道，包括產生表面等離激元、輻射為光子和非輻射損耗。在金屬納米線和量子點耦合體系中，量子點可以作為近場探針實現對表面等離激元的探測，反過來，量子點發光可以用來激發單個等離激元。

“光”明的未來

納米光子學應用前景廣闊，比如光學超分辨成像、生物醫學傳感、固體照明、顯示、光通信、半導體制造和太陽能電池等，其已成為國際研究熱點，歐盟專門成立了歐洲納米光子學協會。

北京大學物理學院研究員馬仁敏指出，等離激元納米激光器相較于傳統激光器具有更小的物理尺寸、更快的調制速度、更低的閾值與功耗，在包括芯片上光互聯、傳感與探測、生物探針、標記示蹤與成像、輻射光場調控等方向都可應用。

北京大學物理學院研究員劉開輝介紹了球差校正透射電鏡與超快光譜學結合的技術。“我們利用該技術研究了一維碳納米管、二維原子層材料體系中一些低維物理和超快動力學過程問題。”

“納米光子學將與量子信息領域相結合，為量子態的制備、量子信息器件的設計及片上集成提供新的基礎，在光催化、精密傳感等領域的不斷突破也有望為下一代變革性技術的研發鋪平道路。”談及納米光子學的發展，徐紅星如是說。