光是出了名的快。它的速度对于快速信息交换至关重要，但随着光穿过材料，它与原子和分子相互作用和激发的机会变得非常小。如果科学家们能够阻止轻粒子或光子，它将为大量新技术应用打开大门。

现在，在 8 月 17 日发表在Nature Nanotechnology上的一篇论文中，斯坦福大学的科学家们展示了一种显着减慢光速的新方法，就像回声室保持声音并随意引导它一样。斯坦福大学材料科学与工程副教授詹妮弗·迪翁 (Jennifer Dionne) 实验室的研究人员将超薄硅芯片构造成纳米棒，以共振捕获光，然后再释放或重定向它。这些“高品质因数”或“高 Q”谐振器可能会带来操纵和使用光的新方法，包括量子计算、虚拟现实和增强现实的新应用;基于光的 WiFi;甚至检测 SARS-CoV-2 等病毒。

“我们本质上是试图将光线捕获在一个仍然允许光线从许多不同方向进出的小盒子中，”博士后研究员马克劳伦斯说，他也是该论文的第一作者。“在一个有很多边的盒子里很容易捕捉光线，但如果边是透明的，那就不是那么容易了——就像许多硅基应用的情况一样。”

制造和制造

在它们可以操纵光之前，需要制造谐振器，这带来了许多挑战。

该设备的核心部件是一层极薄的硅，它可以非常有效地捕获光，并且在近红外(科学家想要控制的光谱)中的吸收率很低。硅位于透明材料(在这种情况下为蓝宝石)晶片的顶部，研究人员将电子显微镜“笔”引导到其中蚀刻纳米天线图案。必须尽可能平滑地绘制图案，因为这些天线充当回声室类比中的墙壁，而缺陷会抑制光捕获能力。

“高 Q 共振需要创建不允许光泄漏的极其光滑的侧壁，”Dionne 说，他也是研究平台/共享设施的高级副教务长。“这可以通过较大的微米级结构相当常规地实现，但对于散射光更多的纳米结构来说非常具有挑战性。”

图案设计在创建高 Q 纳米结构中起着关键作用。“在计算机上，我可以绘制任何给定几何形状的超平滑线条和块，但制造是有限的，”劳伦斯说。“最终，我们必须找到一种设计，既能提供良好的光捕获性能，又能在现有制造方法的范围内。”

Dionne 和 Lawrence 将设计修改为具有众多实际应用的重要平台技术。

这些设备展示了高达 2,500 的所谓品质因数，比之前任何类似设备实现的质量因素高两个数量级(或 100 倍)。质量因素是描述共振行为的量度，在这种情况下与光的寿命成正比。“通过实现数以千计的质量因素，我们已经在一些非常令人兴奋的技术应用中处于一个不错的位置，”Dionne 说。

例如，生物传感。单个生物分子非常小，基本上是看不见的。但是将光通过分子数百或数千次可以大大增加产生可检测散射效应的机会。

Dionne 的实验室正致力于将这项技术应用于检测 抗原(触发免疫反应的分子)和抗体(免疫系统响应时产生的蛋白质)。“我们的技术可以提供医生和临床医生习惯看到的光学读数，”Dionne 说。“但由于强光分子相互作用，我们有机会检测单一病毒或非常低浓度的多种抗体。” 高 Q 纳米谐振器的设计还允许每个天线独立运行以同时检测不同类型的抗体。

尽管大流行激发了她对病毒检测的兴趣，但 Dionne 也对其他应用感到兴奋，例如 LIDAR(或光检测和测距，这是一种常用于自动驾驶汽车的基于激光的测距技术)，这项新技术可以做出贡献至。“几年前，我无法想象这项工作会涉及到巨大的应用空间，”Dionne 说。“对我来说，这个项目加强了基础研究的重要性——你不能总是预测基础科学的发展方向或结果，但它可以为未来的挑战提供关键的解决方案。”

这项创新在量子科学中也很有用。例如，分裂光子以产生纠缠光子，即使它们相距很远，也能在量子水平上保持连接，这通常需要使用大型昂贵的精确抛光晶体进行大型桌面光学实验。“如果我们能做到这一点，但使用我们的纳米结构来控制和塑造纠缠光，也许有一天我们将拥有一个可以握在手中的纠缠发生器，”劳伦斯说。“有了我们的结果，我们很高兴看到现在可以实现的新科学，但也试图突破可能的极限。”

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