纳米谐振器中捕获的光可记录时间–可以启用夜视仪

使用纳米谐振器对光频率进行转换（加倍）。

参考粒子捕获光的时间超过200次一波振荡的时间，比平时长20-40倍；这为制造紧凑型传感器，夜视设备和光学数据传输等领域开辟了新的视野。

由ITMO大学，澳大利亚国立大学和韩国大学组成的国际研究人员团队，在创纪录的时间内，将电磁波捕获在大小为数百纳米的砷化镓纳米谐振器中。如此长的时间来捕获光的早期尝试只有在使用更大的谐振器的情况下才成功。此外，研究人员提供了实验证明，该谐振器可以用作高效光频率纳米转换器的基础。这项研究的结果引起了科学界的极大兴趣，并发表在世界领先的学术期刊之一《科学》上。科学家们提出了亚波长光学和纳米光子学的巨大新机遇，包括紧凑型传感器，夜视仪和光学数据传输技术的发展。

澳大利亚国立大学团队（从左到右）：Sergey Kruk博士，Yuri Kivshar教授和博士生Elizaveta Melik-Gaykazyan。

在现代物理学中，操纵纳米级电磁波特性的问题至关重要。使用光，我们可以远距离传输数据，记录和读出数据，以及执行其他对数据处理至关重要的操作。为此，需要将光捕获在一个很小的空间中并保持很长一段时间，这是物理学家仅成功地处理了比光波长大的大小较大的物体的事情。这限制了光信号在光电子学中的使用。

两年前，ITMO大学，澳大利亚国立大学和Ioffe研究所的国际研究团队从理论上预测了一种新的机制，该机制使科学家能够将光捕获在比光波长小得多且尺寸为数百纳米的微型谐振器中。但是，直到最近，还没有人在实践中实施该机制。

ITMO大学物理与工程学院的工作人员Kirill Koshelev是该论文的第一作者，也是该研究所的研究总监兼澳大利亚国立大学非线性物理中心负责人Yuri Kivshar教授。

来自ITMO大学，澳大利亚国立大学和韩国大学的国际研究人员团队进行了验证，以证明这一假设。首先，他们提出了这一概念：砷化镓被选为主要材料，是一种在近红外范围内具有高折射率和强非线性响应的半导体。研究人员还决定了谐振器的最佳形状，它可以有效地捕获电磁辐射。

为了有效地捕获光，光线必须尽可能多地从物体的内部边界反射，而不会逃脱共振器。人们可能会认为最好的解决方案是使对象尽可能复杂。实际上，情况恰恰相反：一个人体拥有的平面越多，光线越有可能越过它。在这种情况下，接近理想的形状是圆柱体，它具有最小数量的边界。仍然需要解决的一个问题是，直径与高度的比例对于捕获光最有效。在进行数学计算后，必须通过实验确认该假设。

“由于谐振器具有改变光波长的能力，因此它们可用于夜视设备。毕竟，即使在黑暗中，也会有肉眼看不见的电磁红外波。通过改变它们的波长，我们可以在黑暗中看到。您需要做的就是将这些气瓶套在眼镜或汽车的挡风玻璃上。它们虽然是肉眼看不见的，但仍然使我们在黑暗中看到的东西比我们自己看到的要好得多。”—基里尔·科谢列夫（Kirill Koshelev）

“我们使用砷化镓制造了高度约700纳米，直径接近900纳米的圆柱体。它们几乎是肉眼看不见的。如我们的实验所示，参考粒子捕获光的时间超过了一个波振荡周期的200倍。通常，对于该尺寸的粒子，该比率为五至十个周期的波振动。而我们得到了200！论文的第一作者之一基里尔·科谢列夫（Kirill Koshelev）说。

科学家将他们的研究分为两个部分：一个是对先前表达的理论的实验确认，另一个是如何使用此类谐振器的示例。例如，陷阱已经用于能够改变光波的频率并因此改变其颜色的纳米器件。穿过此谐振器后，红外光束变成红色，变为人眼可见。

电磁振荡的频率转换不是该技术的唯一应用。它还在各种传感设备甚至特殊的玻璃涂层中都有潜在的应用，这将有可能生产出色彩斑night的夜视仪。

“如果谐振器能够有效地捕获光，那么在其附近放置一个分子将使该分子与光的相互作用效率提高一个数量级，即使是单个分子，也可以通过实验轻松地检测到。该原理可用于高灵敏度生物传感器的开发中。由于谐振器具有改变光波长的能力，因此它们可用于夜视设备。毕竟，即使在黑暗中，也会有肉眼看不见的电磁红外波。通过改变它们的波长，我们可以在黑暗中看到。您需要做的就是将这些气瓶套在眼镜或汽车的挡风玻璃上。它们虽然是肉眼看不见的，但仍然使我们在黑暗中看到的东西比我们自己看到的要好得多。” Kirill Koshelev解释说。

除了砷化镓，可以使用其他电介质或半导体（例如硅）制造此类陷阱，硅是现代微电子学中最常见的材料。此外，可以按比例增加光捕获的最佳形式，即圆柱体直径与高度的比例，以创建更大的陷阱。

参考：Kirill Koshelev，Sergey Kruk，Elizaveta Melik-Gaykazyan，Jae-Hyuck Choi，Andrey Bogdanov，Andy Bogdanov，Hong-Gyu Park和Yuri Kivshar撰写的“用于非线性纳米光子的亚波长介电共振器”，科学。DOI：2020年。
10.1126 / science.aaz3985