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(tuán)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(tuán)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?yàn)樗谀芰哭D(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(shí)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(shí)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(tuán)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(zhǔn)BIC場即使在輻射品質(zhì)因數(shù)發(fā)散的情況下，也能達(dá)到非輻射損耗帶來的最大增強(qiáng)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(qiáng)還使自準(zhǔn)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(xiàng)基礎(chǔ)性發(fā)現(xiàn),，而且標(biāo)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(jìn)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(qiáng)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(dān)各級科研項(xiàng)目170余項(xiàng),，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