未来十年纳米光子学若干重点发展领域

纳米光子学已经对人们的日常生活产生了重要影响,并且纳米光子学器件产品有强大的市场需求,因此其研究结果可以很快转化为商品。文章介绍了在未来5到10年内对光子工业有重大影响并且有望进入商品市场的11个纳米光子学领域,其中包括:纳米尺度量子光子学、全光路由、用于增强磁存储的表面等离子体光子学、用于诊断治疗和药物输送纳米光子学、纳米成像、分子尺度上的化学与生物传感器、纳米标签、纳米尺度上操控光场的分布(光伏器件和LED/OLED)、原型试制的新技术、量身定制光学特性的纳米光子材料以及太赫兹技术等,希望文章能对中国的纳米光子学研究及其工业化应用有一定帮助。     

单光束飞秒激光诱导微纳周期结构的现象与机理

飞秒激光具有超快和超强（聚焦后局域电场达到10^10V／cm，相当于氢原子的库仑场强）的特点，因此它与材料发生相互作用时会产生多光子吸收、多光子电离、自聚焦等非线性效应．文章介绍最近发现的单光束飞秒激光在物质内部诱导自组装纳米光栅，沿光束传播方向排列成行的纳米周期孔洞结构以及材料表面诱导纳米周期结构等新现象，并对这些现象的机理作了阐述．     

基于介质超表面的片上集成纳米光子器件

超表面可被设计应用于波前的空间变换,二维周期性光学超表面结构的研究主要集中于调控光在自由空间中传播的波前。为了操控片上光信号传输的自由度,实现小尺寸、宽带以及低损耗的片上集成光子计算芯片,发展了一系列一维片上超表面的设计工作。对近几年来基于介质超表面的片上集成纳米光子器件的相关工作进行综述,从片上超表面的物理机制、片上超表面的实现方法以及片上超表面在集成纳米光子器件中的应用几方面出发进行了回顾和讨论。同时也对潜在的挑战进行了总结,对片上超表面在集成纳米光子器件中的进一步应用研究进行了展望。     

从电动力学到量子电动力学：纳米光电子器件

纳米尺度下的光电器件的研制与米、毫米、微米尺度下电子器件或光学器件的研制在基本原理与制造技术上有本质的不同。必须采用量子电动力学和介观物理作为基本原理。在量子电动力学中,光子与电子可以相互转化,光子也可以储存在“空腔”中。光一电转换或光一电一光的转换甚至可以在远小于一个光波的尺度内实现（如100nm以下）。基于大量最新现象发现的启示与推动,产生了一种全新的光予技术：纳米光子技术。在这种全新的纳光子技术中,人们将光子电子的输运与转化联合起来进行考虑,非线性光学获得了长足的发展。微电子技术和概念被大量地推广应用于纳光子技术开发。创新型元件如集成激光器、30dB光放大器、效率为30％的1．55μm滤波器等层出不穷地涌现。纳米技术的研发为信息储存、输运和处理开辟了新的天地。进入21世纪,纳米光子技术研究日新月异。在摩尔经验规律的指导下,不断发展的微电子工业的制造精度已进入100nm领域。大规模应用纳米电子、纳米光子技术的时代已经来临。一些新型的光通讯线路已开始应用纳米光子器件。对公众而言,用于照明的LED只是一个应用实例。报告将结合法国国家纳米研究平台的研发成果来阐述纳米光子学的原理和纳米光子器件发展的趋势。     

若干新型微纳光子学器件研究

光子晶体和纳米光纤是两种重要的微纳光子学材料,各自具有非常独特的控制光子传输状态的功能,是研究微纳尺度下光与物质相互作用的重要平台,也是实现新型微纳光子学器件的重要基础.文章简要介绍了超快速低功率光子晶体全光开关、纳米光纤传感器、干涉器和介质-金属纳米线复合结构器件的研究进展.     

表面等离子体激元纳米集成光子器件

纳米集成光子学的核心关键技术之一在于新型高效纳米光耦合器、纳米光波导等纳米光子器件的设计与制备.表面等离子体激元（SPPs）是由外部电磁场与金属表面自由电子相互作用形成的一种相干共振,除具有巨大的局部场增强效应外,还具有将激发电磁场能量限制在纳米尺度范围的特点.基于SPPs的各种纳米光子器件被誉为当今最有希望的纳米全光集成回路的基础,成为目前国际上的一个研究热点.文章对基于SPPs的纳米集成光子器件的最新研究进展和研究成果进行评述。     

原子尺度材料三维结构、磁性及动态演变的透射电子显微学表征

原子表征与操控是实现原子制造必须突破的物理瓶颈之一.像差校正电子显微学方法因其优异的空间分辨率,为实现原子精细制造提供了有力的表征手段.因此,利用电子显微学手段,在原子尺度对原子制造的材料及器件进行三维结构和性能的协同表征,对于深入理解原子水平材料操控的物理机理具有非常重要的意义.纳米团簇及纳米颗粒是原子制造材料与器件研究的主要对象之一,具有丰富的物理化学性质和较高的可操纵性.本文探讨纳米团簇/颗粒结构三维定量表征、使役条件下纳米团簇/颗粒结构演变定量表征、纳米颗粒/晶粒结构-成分-磁性协同定量表征等诸多方法与实例,阐明了电子显微学表征手段的突破和发展为实现精细控制的原子制造材料提供了坚实基础.     

用于超快、高效系统的半导体纳米结构光子器件

首先对未来系统光子器件的关键问题进行了综述。并且对半导体纳米结构,特别是基于量子点材料的超快开关器件取得的最新进展进行了讨论。其中包括基于量子点的半导体光放大器,其在超过40Gb/s的速率下展现出偏振不敏感特性;新型基于量子点的垂直腔结构的光开关,其展现出超快、节能、全光开关的特性。概括和讨论了未来基于纳米结构的光子器件的应用。     

纳米孔壁面作用对蛋白质过孔影响的粗粒化分子动力学模拟

基于粗粒化分子动力学方法模拟电驱动蛋白质过孔过程,研究纳米孔-水/纳米孔-蛋白质相互作用对电泳迁移率的影响;用操控式分子动力学模拟分析蛋白质在不同相互作用下过孔摩擦系数和摩擦阻力.研究发现：蛋白质黏附纳米孔壁面对其过孔特性影响并不明显,而纳米孔-水相互作用对蛋白质过孔电泳迁移率和摩擦系数影响较大.随纳米孔-水相互作用增强,纳米孔壁面与蛋白质附近水分子运动差异显现,蛋白质过孔摩擦阻力显著增大,过孔摩擦系数随之增大,进而影响蛋白质过孔电泳迁移率.所得结果可为纳米孔材料设计提供理论指导.     

纳米压印技术制备表面光子晶体LED的研究

利用表面光子晶体能大幅提高发光二极管(LED)的外量子效率, 但如何制备大面积的纳米光子晶体是该研究方向的主要难点之一. 本文基于纳米压印技术在氮化镓基发光二极管(GaN-LED)表面制作孔状二维光子晶体. 通过以金属和聚合物双层掩膜干法刻蚀法, 得到了很好的光子晶体图形转移效果. 最终在LED的p-GaN层表面获得了大面积光子晶体, 周期为450 nm, 纳米孔直径为240 nm. 器件测试结果显示, 有表面光子晶体的LED比没有光子晶体的LED, 光致发光强度峰值提高到了7.2倍.     

基于马赫-曾德尔干涉仪的单个光子操控

分别利用空间和光纤马赫—曾德尔干涉仪对空间和光纤传输中的单个光子的干涉现象进行了研究,干涉对比度可达到90％以上,实现了空间和光纤中的单个光子的路由操控。实验采用脉冲调制加衰减的方法产生单个光子,获得了每个脉冲中只包含0．1个光子的准单光子源。通过改变压电换能器的电压控制马赫—曾德尔干涉仪的单个光子在两个输出端的选择,实现了光子在节点上的路由。采用同步符合检测技术,利用重复频率为1kHz,脉冲宽度为100ns的同步信号对输出信号进行符合,实现了量子效率高于70％,暗计数小于0．2s^-1的单光子高灵敏度检测,观测到了单个光子在相位操控下出射到两个输出端的有序分配现象。验证了基于马赫—曾德尔干涉仪的单个光子路由操控实现的可能性。     

银溶胶掺杂调控光子晶体结构色及反射率

本文将不同含量的银纳米粒子(Ag NPs)掺杂到不同粒径的聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)胶球乳液(P(St-MMA-AA)乳液)中,利用蒸发诱导自组装方法制备带有结构色的Ag NPs/P(St-MMA-AA)光子晶体材料.实验结果表明,银纳米粒子及其表面活性剂的含量与光子晶体结构色的亮度和反射光谱峰的强度密切相关...     

纳米金属薄膜中光子自旋霍尔效应的最佳弱测量

光子自旋霍尔效应是一种潜在的精密测量工具,在探测微结构材料结构参数变化的研究中具有重要的物理意义。基于光子自旋霍尔效应的弱测量模型研究了纳米金属薄膜中的光子自旋霍尔效应,研究结果表明当弱测量中放大角取相应的特殊值时(即最佳弱测量点),纳米金属薄膜中光子自旋霍尔效应的放大后横移值可达到最大,大大提高了光子自旋霍尔效应的探测精度;在最佳弱测量点得到的放大后横移可以更精确地推断出金属薄膜的实际厚度。实验结果与理论分析符合较好,该方法为研制基于光子自旋霍尔效应的精密测量工具提供了理论与实验基础。     

美研制出首个超材料3D纳米光学谐振腔

美国伯克利国家实验室Xiang Zhang教授率领的研究团队通过超薄银和锗多层交替研制了一种“超材料”，创建了三维光学腔，开辟了真正的纳米尺度光学谐振腔设计的新方法。光学谐振腔是激光器的最主要组成部分，具有良好的电磁性能，广泛适用于纳米激光器、发光二极管、光学传感器和光子通信等。     

纳米生物技术及其应用

纳米技术的发展使人们可以观测到纳米量级的介观世界，可以直观地了解生物分子的形态和分子间的相互作用，甚至可以操纵生物大分子，得到不同结构的新的生物分子．运用纳米技术制作的纳米器件可以用作疾病诊断与治疗．由纳米量级的超微粒构成的纳米生物材料具有良好生物相容性和一些独特的纳米效应，主要表现为小尺寸效应和表面或界面效应．纳米生物材料与相同组成的微米材料存在非常显著的差异，体现出许多优异的性能和全新的功能．纳米微粒在癌症的监测、治疗，细胞和蛋白质的分离，基因治疗，靶向和缓释控药物等中都有着广泛的应用．     

金刚石纳米颗粒中氮空位色心的电子自旋研究

通过电子注入的方法制备了含氮空位色心单光子源的金刚石荧光纳米颗粒. 自旋回声测试结果表明, 纳米颗粒中氮空位色心的相干时间T₂很短, 介于0.86 μs至5.6 μs之间. Ramsey干涉条纹测试结果表明, 氮空位色心NV1点的退相干时间T₂^* 最大, 为0.7 μs, 其电子自旋共振谱可分辨的最小线宽为1.05 MHz. 并且NV1点的电子自旋共振谱可分辨氮空位色心本身的¹⁴N核自旋与 氮空位色心电子自旋之间的2.2 MHz超精细相互作用, 这对于在金刚石纳米颗粒中实现核自旋的操控和多个量子比特的门操作具有重要意义. 关键词： 纳米颗粒 氮空位色心 电子自旋     

高双折射纳米结构光子晶体光纤特性研究

设计了一种高双折射高非线性纳米结构光子晶体光纤,利用电磁场散射的多极理论研究了这种光纤的双折射、基模模场、色散以及非线性特性.数值研究发现,加大纤芯及包层空气孔的非对称程度,可使双折射变大,其双折射最大值可达1.918×10-2.通过调节孔节距大小,可将双折射最大值调至所需波长处,孔节距为400nm的纳米光子晶体光纤在800nm波长处非线性系数高达0.2m-1.W-1,同时在750—1000nm的波段有较大的双折射值,高双折射和高非线性在纳米结构光子晶体光纤中实现了完美的结合.对新型纳米光子器件的研制和集成光学的发展具有重要意义.     

基于纳米光学等离子晶体的新型纳米光子学器件的发展

通过设计合适的纳米表面等离子结构,纳米光学等离子晶体具有光场增强效应,能调控近场范围内的光场分布,可用来设计新型的纳米光子学器件。介绍了纳米光学等离子晶体的原理、结构特点、制作工艺和纳米光子学器件的设计方法,对纳米光学等离子晶体和普通光子晶体做了比较。归纳了纳米光学等离子晶体的物理机制、光学特征,描述并分析了波长选择性场增强效应和束流效应等。给出几种基于纳米光学等离子晶体的纳米光子学器件应用实例。     

GdF_3∶Eu~(3+)纳米晶的VUV荧光性质

利用微乳液水热法制备出GdF3∶Eu3+纳米晶及纳米棒。用X射线粉末衍射(XRD)和透射电子显微镜(TEM)等手段对材料的结构、形态及粒径大小等进行了表征。室温下真空紫外(VUV)光谱及荧光光谱表明GdF3∶Eu3+纳米晶中的Gd3+离子吸收一个光子,并将能量分两步传递给Eu3+,发生了双光子发射。从各跃迁的积分强度和量子效率表达式可以得到材料在160 nm紫外光激发下的量子效率约为170%。     

纳米晶粒在高压下的相变

文章报道了纳米晶粒的晶粒尺寸对压力诱导相变的影响的最新研究进展．采用热力学理论揭示了纳米晶体材料的相变压力与同种大块材料不同的主要因素是体积变化率、表面能差和内能差．通过估算这3个因素的具体大小，可解释文献中报道的实验结果，并且可以确定同种大块材料和纳米晶体材料之间的相变压力发生差异的控制因素．在纳米晶体材料中，晶粒尺寸对结构稳定性和相变压力的影响与体系本身有关．