新的领结结构的说明，可以在图片的中间看到。蝴蝶结结构在空间上压缩光，而它周围的纳米结构在时间上存储光。其结果是将光压缩到迄今为止最小的规模——世界上最小的光子在介质材料中。信贷:导航系统
这一重大科学进展对许多领域都有影响，包括节能计算机和量子技术。
直到最近，物理学家普遍认为不可能将光压缩到所谓的衍射极限以下，除非使用金属纳米颗粒，因为金属纳米颗粒也会吸收光。因此，在硅这样的介电材料中似乎不可能强力压缩光，而硅对信息技术至关重要，具有不吸收光的显著优势。有趣的是，早在2006年就从理论上证明衍射极限不适用于介质。然而，没有人能够在实际世界中证明这一点，因为它需要如此复杂的纳米技术，没有人能够创造所需的介电纳米结构。
来自丹麦技术大学的一个研究小组创造了一种被称为“介电纳米腔”的装置，它成功地将光集中在比衍射极限小12倍的体积内。这一发现在光学研究领域是开创性的，最近发表在《自然通讯》杂志上。
“尽管计算机计算表明，你可以将光集中在无限小的点上，但这只适用于理论。实际的结果受到微小细节的限制，例如在微芯片上，”DTU Electro的博士生、新文章的第一作者Marcus Albrechtsen说。
测量世界上最小的光子。a)纳米腔模型，计算得到的电场强度用色标表示。b)光子被挤在一起的中心蝴蝶结结构中的狭长材料周围的放大。c)用激光照射光子进入腔体时产生的电场，即世界上最小光子的微观图像。白线显示了用于比较的纳米结构的轮廓。信贷:导航系统
“我们将真实光子纳米技术的知识及其目前的局限性写入计算机。然后我们要求计算机找到一种模式，在一个光学纳米腔中收集前所未有的小面积的光子，我们也能够在实验室中建立这种模式。”
光学纳米腔是一种特殊设计的结构，用来保留光线，这样光线就不会正常传播，而是来回晃动，就像两面镜子相对一样。镜子之间的距离越近，它们之间的光线就越强烈。在这个实验中，研究人员创造了一个蝴蝶结结构，由于其独特的形状，在挤压光子时特别有效。
衍射极限
衍射极限理论描述了光在光学系统中不能聚焦到小于一半波长的体积上——例如，这适用于显微镜的分辨率。
然而，纳米结构可以由比波长小得多的元素组成，这意味着衍射极限不再是一个基本极限。尤其是蝴蝶结结构，它可以将光压缩到非常小的体积中，这受限于蝴蝶结的尺寸，因此也受限于纳米结构的质量。
当光被压缩时，它会变得更加强烈，增强光与原子、分子和2D材料等材料之间的相互作用。
介电材料
介电材料具有电绝缘性。玻璃、橡胶和塑料是介电材料的例子，它们与导电的金属形成对比。
介电材料的一个例子是硅，它经常用于电子，但也用于光子学。
跨学科的努力和优秀的方法
纳米腔由硅制成，硅是最先进的现代技术所基于的介质材料。用于纳米腔的材料是在DTU的洁净室实验室中开发的，腔的模式是基于DTU开发的独特拓扑优化方法进行优化和设计的。它最初开发用于设计桥梁和飞机机翼，现在也用于纳米光子结构。
“实现这一突破需要巨大的共同努力。这之所以成为可能，是因为我们成功地结合了DTU几个研究小组的世界领先研究，”领导这项研究工作的副教授Søren Stobbe说。
即时通讯节能技术取得重大突破
这一发现可能对开发革命性的新技术具有决定性意义，这些技术可能会减少数据中心、计算机、电话等中消耗能源的部件的数量。
计算机和数据中心的能源消耗持续增长，因此需要更可持续的、更低能耗的芯片架构。这可以通过用光学元件取代电路来实现。研究人员的愿景是将同样的劳动分工用于互联网，即光用于通信，电子用于数据处理。唯一的区别是，这两种功能必须内置在同一个芯片中，这就要求光被压缩到与电子元件相同的大小。DTU的突破表明，这实际上是可能的。
Marcus Albrechtsen说:“毫无疑问，这是开发一种更节能的技术的重要一步，例如，用于数据中心和未来计算机的光连接的纳米激光——但是还有很长的路要走。”
研究人员现在将进一步工作，改进方法和材料，以找到最佳解决方案。
“现在我们有了合适的理论和方法，随着周围技术的发展，我们将能够制造越来越强的光子。我相信这只是围绕这些原理的物理学和光子纳米技术的一系列重大发展的第一个，”Søren Stobbe说，他最近从欧洲研究理事会获得了声望颇高的整合者拨款200万欧元，用于开发基于新腔的全新类型的光源。
参考文献:“拓扑优化介质腔中的纳米级光子约束”，作者:Marcus Albrechtsen, Babak Vosoughi Lahijani, Rasmus Ellebæk Christiansen, Vy Thi Hoang Nguyen, Laura Nevenka casas, Søren Engelberth Hansen, Nicolas Stenger, Ole Sigmund, Henri Jansen, Jesper Mørk和Søren Stobbe, 2022年10月21日，自然通讯。DOI: 10.1038 / s41467 - 022 - 33874 - w
该研究由Villum基金会青年研究者项目、Villum基金会实验项目、丹麦国家研究基金会、丹麦独立研究基金和丹麦创新基金资助。
