近日，新加坡國立大學(xué)蘇州研究院（以下簡稱“新國大蘇研院”）首席研究員劉小鋼及團隊成員在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》(Nature)上發(fā)表研究成果，在光子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域取得了新突破。研究團隊發(fā)現(xiàn)了一種被稱為"超臨界耦合"的不尋常光學(xué)現(xiàn)象，它能將光子的上轉(zhuǎn)換效率提高幾個數(shù)量級。這一發(fā)現(xiàn)開辟了操縱光的新途徑，可推動量子計算、超分辨率成像等量子技術(shù)以及激光器、光腔和諧振器等光子設(shè)備的發(fā)展。

研究背景

材料中的光子上轉(zhuǎn)換是一種吸引了廣泛關(guān)注的現(xiàn)象，主要因為它在能量轉(zhuǎn)換和生物成像等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用潛力。這一過程涉及到鑭系元素發(fā)射的光子能量高于吸收的光子能量，這是通過連續(xù)吸收兩個或多個光子來實現(xiàn)的。然而，由于摻鑭納米粒子輻照度和光學(xué)共振臨界耦合條件的固有限制，實現(xiàn)高效光子上轉(zhuǎn)換仍然面臨著挑戰(zhàn)。超臨界耦合(Supercritical Coupling)概念在應(yīng)對這些挑戰(zhàn)方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。這種全新的方法利用了"連續(xù)體中的束縛態(tài)"(BICs)物理學(xué)，通過BICs使光被困在開放結(jié)構(gòu)中，在理論上具有無限的壽命，超越了臨界耦合的極限。

研究結(jié)果

劉小鋼教授研究團隊與意大利國家研究委員會的Gianluigi Zito博士合作，在超臨界耦合的發(fā)現(xiàn)開辟了操縱光的新方法，使得準BIC場即使在輻射品質(zhì)因數(shù)發(fā)散的情況下，也能達到非輻射損耗帶來的最大增強效果。該方法能將光子的上轉(zhuǎn)換效率提高幾個數(shù)量級，這種增強還使自準直光子的定向傳播變得異常精確。

▲超臨界耦合和定向上轉(zhuǎn)換發(fā)射的原理

應(yīng)用場景

突破不僅是一項基礎(chǔ)性發(fā)現(xiàn)，而且標志著納米光子學(xué)領(lǐng)域的一次根本性變革，改變了大眾對納米尺度光操縱的理解。這種操縱光的新方法不僅適用于廣泛的物理過程，并在光源開發(fā)、能量收集和光化學(xué)催化方面具有潛在的應(yīng)用前景。隨著材料科學(xué)和納米技術(shù)的發(fā)展，研發(fā)更高效和穩(wěn)定的鑭系光子上轉(zhuǎn)換材料，將為多個領(lǐng)域帶來顛覆性的進步。

新國大蘇研院的科研工作聚焦前沿技術(shù)，開展原創(chuàng)性、應(yīng)用性研究，與產(chǎn)業(yè)發(fā)展強關(guān)聯(lián)，與蘇州工業(yè)園區(qū)及地方科技深融入，已建立生物醫(yī)療與健康、能源與環(huán)境納米兩大科技創(chuàng)新平臺。新國大蘇研院致力于推動科技成果轉(zhuǎn)化落地工作，希望通過研究產(chǎn)生有影響力的高科技創(chuàng)新產(chǎn)品，賦能地方產(chǎn)業(yè)升級。目前，研究院承擔各級科研項目170余項，在國際著名期刊發(fā)表了1200余篇有影響力的科研論文，其中4篇發(fā)表在Nature母刊，35篇發(fā)表在Nature子刊