摘要：如今，由慕尼黑大学实验物理学教授 Andreas Tittl 领导的团队与澳大利亚莫纳什大学的合作伙伴携手，精准地实现了这一突破。研究人员在《自然》杂志上发表报告称，他们开发了一种新方法，可以在超快时间尺度上精准地控制纳米谐振器与光之间的耦合。通过这种方式，谐

消息来源：慕尼黑路德维希马克西米利安大学

在纳米光子学中，微小结构用于在纳米尺度上控制光，并使其可用于技术应用。其中的一个关键元件是光学谐振器，它可以捕获并放大特定颜色（波长）的光。

以前控制这些共振的方法更像是调光开关：你可以减弱共振或稍微改变其颜色。然而，真正的开关是不可能的，因为共振器始终与光保持基本耦合。

如今，由慕尼黑大学实验物理学教授 Andreas Tittl 领导的团队与澳大利亚莫纳什大学的合作伙伴携手，精准地实现了这一突破。研究人员在《自然》杂志上发表报告称，他们开发了一种新方法，可以在超快时间尺度上精准地控制纳米谐振器与光之间的耦合。通过这种方式，谐振可以在几皮秒内从无到有地产生，或者完全消失。

看不见光

关键在于所谓的超表面（metasurfaces）的巧妙设计——包含特殊排列纳米结构的超薄层。研究人员设计并构建了由两根微小硅棒组成的结构，这些硅棒被刻意赋予不同的几何形状——换句话说，是不对称的。关键在于：尽管硅棒的几何形状不同，但它们对特定波长光的光学响应彼此精确抵消。这意味着该结构在物理上存在，但对光而言仍然“不可见”；共振被“关闭”。

正是这种不对称性使得切换过程成为可能。由于两根纳米棒彼此不同，它们对不同波长和偏振的光的响应也不同。物理学家利用了这一特性，故意用持续时间仅为 200 飞秒的超快激光脉冲激发两根纳米棒中的一根。这暂时改变了它的光学特性，破坏了精细的平衡，并导致共振突然与光耦合——它被“开启”了。

定向对称破缺

“我们工作的核心是在极短的时间内刻意破缺对称性，”蒂特尔说道，“我们在一个结构不对称的系统中实现了完美的光学平衡。通过用激光脉冲刻意破坏这种平衡，我们获得了全新的自由度来控制光与物质的相互作用。我们可以随意产生共振，抑制共振，或者像控制旋钮一样精确调整其带宽。”

除了在洁净室中对超表面进行数值设计和后续制造之外，对其时间行为的光学测量也是一个重大挑战。

“只有借助我们的时间分辨光谱方法，我们才能通过实验捕捉到这些超快过程，并实时观察共振如何在皮秒内出现然后再次消失，”负责光谱实验的 Leonardo de S. Menezes 说。

“我们的测量显示，与光的耦合大幅增加，而材料本身几乎没有任何不必要的能量损失。这确凿的证据证明，我们的时间对称性破缺方法正如预期的那样有效。”

在主要由两位主要作者 Andreas Aigner 和 Thomas Possmayer 进行的实验中，该团队演示了四种不同的切换操作：从“暗”态产生共振；完全猝灭现有共振；以及有针对性地拓宽和锐化共振轮廓。例如，在锐化共振的情况下，研究人员能够将共振的 Q 因子（衡量其质量的标准）提高 150% 以上。

纳米光子学的范式转变

直接控制光耦合的能力是主动纳米光子学的范式转变。此外，该原理不仅限于硅，还可以轻松扩展到其他材料，甚至更快的开关机制，这进一步拓展了未来应用的潜力。精确控制谐振的存在与否，不仅可以实现用于电信或光数据处理的低损耗纯光开关，还可以推动对复杂量子现象（例如所谓的时间晶体）的研究。

来源：科学计算器