摘要：在传统微纳光学中，光的近场相互作用通常被限制在微米甚至纳米尺度，就像两个人必须站得很近才能低声交谈。然而，这一认知正被来自复旦大学和加州大学伯克利分校的一项研究改变。
导读
在传统微纳光学中，光的近场相互作用通常被限制在微米甚至纳米尺度，就像两个人必须站得很近才能低声交谈。然而，这一认知正被来自复旦大学和加州大学伯克利分校的一项研究改变。近日，复旦大学未来信息创新学院 王丹青青年研究员 与美国加州大学伯克利分校 吴军桥教授 团队合作，在 Nature Communications 杂志发表了一项最新研究成果“
Long-range Optical Coupling with Epsilon-near-zero Materials ”。该研究利用具有特殊电磁学特性的 近零介电常数材料 ，实现了 数百微米的长程光学耦合 。这一距离相比传统光学耦合长度提升了三个数量级，相当于让两个仅有头发丝千分之一厚的薄膜，隔着十倍于头发丝的宽度，完成高效的"隔空对话"。从量子隧穿到光学耦合
在量子力学中，电子能够以一定概率穿过势垒，这就是著名的量子隧穿效应，也是2025年诺贝尔物理学奖的主要成果。当两层超导体被纳米厚度的绝缘层隔开时，库珀电子对会通过共振隧穿产生独特的耦合现象，这种现象在超导量子计算等领域具有重要价值。
研究团队在光学系统中类比并扩展了这一效应。他们构建了光学意义上的"双势垒结构"：两层仅50nm厚的氧化铟锡薄膜作为"势垒"，中间的二氧化硅层则作为"绝缘隔板"（ 图1 ）。氧化铟锡这种功能材料具有独特的光学特性，在特定近红外波长下，其介电常数的实部会趋近于零，因而被归类为近零介电常数材料（或零折射率材料）。
图1：近零介电常数薄膜材料的长程光学耦合和与量子隧穿效应的类比。
图源： Nature Communications
近零介电常数材料的双重特性
近零介电常数材料实现突破的关键在于两个核心特性：首先，材料具有卓越的 光场局域和增强 能力。当特定波长的光进入这种材料后，会被强烈束缚在纳米厚度的薄膜内部，形成近场强度极高的光学模式，其场强可比入射光增强数百倍。这种效应源于材料在特定波长下独特的电磁响应特性，使光场被极大地压缩在极小空间内。
其次，材料展现出优异的 相位保持 能力。与传统光学材料不同，光在这种材料中传播时几乎不产生相位延迟，能够保持波形的高度一致性。这一特性使得分布在空间不同位置的光学组分能够实现精确的相位匹配，为长程耦合提供了必要条件。近零介电常数材料中的近场增强与近乎为零的相位延迟，使得两层薄膜之间能够通过远场辐射耦合产生相长或相消干涉，从而在数百微米的距离上实现光学场的反关联振荡。
为了系统研究耦合规律，研究团队开发了倾斜磁控溅射技术，通过精确控制沉积角度，制备出了中间层厚度在145-727 nm范围内连续变化的"楔形"样品。这种设计使研究人员能够在同一块样品上系统研究不同间距下的光学响应规律，大大提高了实验效率和数据可靠性。
用二次谐波探测不可见的光场
如何精确探测被禁锢在纳米薄膜内部的光场及其相互作用，成为研究团队面临的关键挑战。团队创新性地采用 二次谐波 方法，通过用红外光照射样品，探测其发出的倍频可见光信号（ 图2 ）。这种非线性光学信号的强度与材料内部局域电场强度的四次方成正比，对纳米尺度下的微小场强变化具有极高的探测灵敏度。
图2：二次谐波产生以探测近零介电常数薄膜的长程光学耦合与近场强度关联。
图源： Nature Communications
实验结果显示，当改变两层薄膜的间距时，二次谐波信号表现出清晰的 周期性振荡特征 。当激光分别激发外层和内层薄膜时，信号强度呈现出典型的"跷跷板效应"——外层信号增强时内层信号相应减弱，反之亦然。这种精确的反关联振荡模式与理论预测很好吻合，为长程光学耦合的存在提供了有力证据。
未来展望
该研究展示的微纳光学系统兼具亚波长近场局域和长程耦合，突破了传统光子器件的设计限制。 未来，这种基于近零介电常数材料的长程光学耦合机制，有望应用于大规模光子集成电路、高精度光学传感和量子信息处理等领域，为下一代光子技术的发展开辟新的道路。
复旦大学青年研究员王丹青和加州大学伯克利分校吴军桥教授为论文的共同通讯作者。研究工作得到了上海市IV类高峰学科、美国加州大学伯克利分校米勒研究奖学金，以及美国能源部基础能源科学项目的支持。
来源：博识雅士