近日,，新加坡國立大學蘇州研究院（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術期刊《自然》(Nature)上發(fā)表研究成果,，在光子學技術領域取得了新突破。研究團隊發(fā)現(xiàn)了一種被稱為"超臨界耦合"的不尋常光學現(xiàn)象,，它能將光子的上轉換效率提高幾個數(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以及激光器、光腔和諧振器等光子設備的發(fā)展,。

研究背景

材料中的光子上轉換是一種吸引了廣泛關注的現(xiàn)象,，主要因為它在能量轉換和生物成像等領域具有重要的應用潛力。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共振臨界耦合條件的固有限制,，實現(xiàn)高效光子上轉換仍然面臨著挑戰(zhàn),。超臨界耦合(Supercritical Coupling)概念在應對這些挑戰(zhàn)方面發(fā)揮著關鍵作用。這種全新的方法利用了"連續(xù)體中的束縛態(tài)"(BICs)物理學,，通過BICs使光被困在開放結構中,，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換發(fā)射的原理

應用場景

突破不僅是一項基礎性發(fā)現(xiàn),，而且標志著納米光子學領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)、能量收集和光化學催化方面具有潛在的應用前景,。隨著材料科學和納米技術的發(fā)展，研發(fā)更高效和穩(wěn)定的鑭系光子上轉換材料,，將為多個領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，開展原創(chuàng)性,、應用性研究,，與產業(yè)發(fā)展強關聯(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化落地工作，希望通過研究產生有影響力的高科技創(chuàng)新產品,，賦能地方產業(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