復(fù)旦大學(xué)未來信息創(chuàng)新學(xué)院王丹青團(tuán)隊突破光學(xué)耦合的距離極限
近日，復(fù)旦大學(xué)未來信息創(chuàng)新學(xué)院青年研究員王丹青與美國加州大學(xué)伯克利分校吳軍橋教授團(tuán)隊合作，在Nature Communications雜志發(fā)表了一項題為“Long-range optical coupling with epsilon-near-zero materials”的研究成果。該研究利用具有特殊電磁學(xué)特性的近零介電常數(shù)材料，首次實現(xiàn)了數(shù)百微米的長程光學(xué)耦合。這一距離相比傳統(tǒng)光學(xué)耦合長度提升了三個數(shù)量級，相當(dāng)于讓兩個僅有頭發(fā)絲千分之一厚的薄膜，隔著十倍于頭發(fā)絲的寬度，完成高效的隔空對話。 
在量子力學(xué)中，電子能夠以一定概率穿過勢壘，這就是著名的量子隧穿效應(yīng)，也是2025年諾貝爾物理學(xué)獎的主要成果。當(dāng)兩層超導(dǎo)體被納米厚度的絕緣層隔開時，庫珀電子對會通過共振隧穿產(chǎn)生獨特的耦合現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在超導(dǎo)量子計算等領(lǐng)域具有重要價值。
圖1. 近零介電常數(shù)薄膜材料的長程光學(xué)耦合和與量子隧穿效應(yīng)的類比。
研究團(tuán)隊在光學(xué)系統(tǒng)中類比并擴(kuò)展了這一效應(yīng)。他們構(gòu)建了光學(xué)意義上的雙勢壘結(jié)構(gòu)：兩層僅50nm厚的氧化銦錫薄膜作為勢壘，中間的二氧化硅層則作為絕緣隔板。氧化銦錫這種功能材料具有獨特的光學(xué)特性，在特定近紅外波長下，其介電常數(shù)的實部會趨近于零，因而被歸類為近零介電常數(shù)材料。
如何精確探測被禁錮在納米薄膜內(nèi)部的光場及其相互作用，成為研究團(tuán)隊面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。團(tuán)隊創(chuàng)新性地采用二次諧波方法，通過用紅外光照射樣品，探測其發(fā)出的倍頻可見光信號。這種非線性光學(xué)信號的強(qiáng)度與材料內(nèi)部局域電磁場強(qiáng)度的四次方成正比，對納米尺度下的微小場強(qiáng)變化具有極高的探測靈敏度。
實驗結(jié)果顯示，當(dāng)改變兩層薄膜的間距時，二次諧波信號表現(xiàn)出清晰的周期性振蕩特征。當(dāng)激光分別激發(fā)外層和內(nèi)層薄膜時，信號強(qiáng)度呈現(xiàn)出典型的蹺蹺板效應(yīng)——外層信號增強(qiáng)時內(nèi)層信號相應(yīng)減弱，反之亦然。這種精確的反關(guān)聯(lián)振蕩模式與理論預(yù)測很好吻合，為長程光學(xué)耦合的存在提供了有力證據(jù)。
圖2. 二次諧波產(chǎn)生以探測近零介電常數(shù)薄膜的長程光學(xué)耦合與近場強(qiáng)度關(guān)聯(lián)。
在集成光子芯片方面，這項技術(shù)使光學(xué)元件在保持?jǐn)?shù)百微米距離的情況下仍能實現(xiàn)高效耦合，為光子芯片的架構(gòu)設(shè)計帶來突新思路。在傳感技術(shù)領(lǐng)域，基于這種對間距變化極度敏感的光學(xué)效應(yīng)，可以開發(fā)出新一代超高精度光學(xué)傳感器。在量子信息技術(shù)方面，這項研究為實現(xiàn)量子光源的長程耦合和大規(guī)模量子計算提供了潛在技術(shù)路徑。
復(fù)旦大學(xué)青年研究員王丹青和加州大學(xué)伯克利分校吳軍橋教授為論文的共同通訊作者。研究工作得到了上海市IV類高峰學(xué)科、美國加州大學(xué)伯克利分校米勒研究獎學(xué)金，以及美國能源部基礎(chǔ)能源科學(xué)項目的支持。
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