撰稿人 | 郑海红
论文题目 | Atomic optical antennas in solids
主要作者 | Zixi Li，Xinghan Guo，Alexander A. High
完成单位 | 芝加哥大学
研究背景
天线产生的场约束可以在广泛的量子应用中用于引导光和放大光与物质的相互作用，包括通信、传感和成像。原则上，自由原子或类原子系统可以具有无损耗的光学跃迁，并在纳米尺度上产生极大的场增强。共振激发的原子光学偶极子同时产生传播(远)和消失(近)电磁场。近场分量在距离递减的极限内发散，表明该光学天线具有巨大的近场强度增强潜力。原则上，固体中的任何原子光学偶极子都可以作为光学天线。然而，这种近场增强通常受到一些环境诱导的非辐射过程的限制，包括电荷波动、电磁噪声和声子散射，这在很大程度上减轻了场增强的影响。
金刚石中的IV族色心是一种原子缺陷，其特点是在低温下具有特殊的光学相干性。由一个间隙的IV族杂质离子和两个碳空位组成，IV族具有D3d族对称性，为光学跃迁提供了一阶电场噪声保护。
论文导读
原子天线通过收集和集中光能，产生强烈的局部信号，使研究人员能够探究物质的基本构成。然而，由于固体材料中的原子会与环境相互作用，导致信号的相干性降低，因此一直难以实现固体中的原子天线的巨大强度增强。美国芝加哥大学Zixi Li, Xinghan Guo，Alexander A. High等研究人员使用钻石中的锗空位中心，这些中心是固体中具有光学相干性的类原子偶极子，其能够作为出色的光学天线。进而开发了一种新型原子天线，实现了高达百万倍的通讯信号增强。除了已经为传统纳米天线开发的丰富应用之外，这种新型的原子天线有望在光谱学，传感和量子科学中产生有趣的新应用。这一突破不仅在技术上取得飞跃，更为基础物理学的研究开辟了新的领域。该研究以“Atomic optical antennas in solids”为题于2024年6月发表于Nature Photonics。
主要研究内容
该研究团队利用GeV独特的天线特性来检测和操纵附近的碳单空位（VC）。结合天线灵敏度和场增强，对VC的电荷状态进行了共振控制。同时使用GeV天线和Förster共振能量转移(FRET)来驱动单个中性空位。通过比较VC电荷循环对远场驱动和局部GeV的非共振激励，证明了GeV近场的强度增强高达一百万倍。VC处强度增强的大小与stark位移诱导的跃迁分裂密切相关，强调了该过程明显的近场特征。这种VC的“魔力”在于它既具有点状特性，又避免了等离子体材料的损耗，能够保持极高的场增强。研究人员认为，这一发现不仅带来了新形式的天线，更重要的是它所带来的潜在发现。
技术突破
这项工作最大技术突破就是利用钻石中的锗空位中心作为量子光学天线，实现高达百万倍的通讯信号增强，如图1。对共振激发GeV的散射场进行了数值分析，揭示了其作为大局域场原子天线的潜力。GeV的示意图如图1a所示。在这项工作中，重点研究了低基态和激发态之间的c线ZPL跃迁。图1b显示了计算得到的GeV散射光场强度与距离和角度的关系。散射场可以变得比共振激发场强得多，在距离为1 nm的地方，强度的增强达到了约108。与现有的纳米天线相比，这种原子天线提供了独特的机会。其次，作为一个具有低非辐射衰减率的点状量子发射器，它可以表现出与物理尺寸基本解耦的场增强和散射截面，从而导致上述显著的增强。
图1 GeV作为量子天线。a，在谐振激励下，GeV可以作为天线，具有强增强的倏逝近场。b, GeV的电磁场增强。
通过比较GeV天线谐振泵浦下和非谐振泵浦下VC电荷循环来量化近场光强增强的程度。光学装置和激光序列如图2a所示。观察到谐振泵浦和非谐振泵浦的阈值激光功率有3-4个数量级的显著差异。本文对开启和关闭共振泵浦的研究表明，GeV天线在近端碳单空位处产生高达百万倍的光强增强。共振GeV激发的阈值影响与ZPL分裂的大小呈负相关，而远场VC激发则不存在这种相关性(图2c)。通过比较阈值影响，得出GeV天线在VC处产生的场增强，如图2d所示。结果表明，GeV天线在空位附近产生了104到106个数量级的场强增强。
图2 与非共振激发的对比显示了场增强。a，用于非谐振泵测量的光学装置和激光序列。b, ZPL分裂为12 GHz的GeV在不同泵浦频率下的归一化跳频，绘制为泵浦功率的函数，其中Δ表示GeV共振的失谐。c，谐振泵浦流量阈值和非谐振泵浦流量阈值，表示为GeV ZPL分裂幅度的函数。d, GeV天线的衍生光场增强与GeV ZPL分裂幅度的关系。
观点评述
原子天线通过收集和集中光能，产生强烈的局部信号，使研究人员能够探究物质的基本构成。然而，由于固体材料中的原子会与环境相互作用，导致信号的相干性降低，因此一直难以实现固体中的原子天线的巨大强度增强。而本文的研究人员使用钻石中的锗空位中心，成功研发出一种新型量子光学天线。这种量子光学天线可以显著增强光信号强度，实现了高达百万倍的通讯信号增强。这些新型量子天线不仅在固态环境中提供了前所未有的场增强和鲁棒性，还为光谱学、传感和量子科学的新应用铺平了道路，并且这种新型量子光学天线可以在量子计算和量子通信中发挥关键作用。
这项技术的核心特点是，当电子在激发态和基态之间跃迁时，会产生振荡的电子偶极子，并集中相对巨大的能量。除了钻石中的色心，其他材料中的缺陷或许也可以达到这种免疫的环境效应，这为量子力学的光发射提供了新的研究思路。与传统的光谱学技术相比，这项技术只需要纳瓦的能量就能激活并产生强的信号，这在量子计算和量子通信中发挥重要作用。这些新型的量子光学天线可以作为局部天线集成到纳米光子学和纳米电子学元件中，构建新的设备。比如，量子光学天线可以运用到纳米成像技术中，通过天线产生的强大磁场增强，提高纳米成像的分辨率和灵敏度。同时，量子天线可实现与被测信号波长（频率）无关的小尺寸特性。这意味着，几微米的量子天线就足以截获低频信号（MHz到kHz），应用到量子优化和人工智能技术中提升电子战能力。
本文出处
发表于：Nature photonics
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41566-024-01456-5#data-availability
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