【研究背景】

原子光學(xué)天線是未來光學(xué)與量子科技發(fā)展的重要趨勢。原子光學(xué)天線的作用在于顯著增強局部電磁場強度，從而提升光與物質(zhì)相互作用的效率，這一效果在許多應(yīng)用中至關(guān)重要，包括通信、傳感和成像等領(lǐng)域。近年來，固態(tài)中的色心，例如金剛石中的摻鍺空位（GeV），被證明具有優(yōu)異的光學(xué)相干性和極高的場增強能力。通過利用這些原子光學(xué)天線，可以實現(xiàn)比傳統(tǒng)納米天線更為顯著的光場增強，達到百萬倍的強度提升。這種增強效應(yīng)不僅能夠推動單分子光譜學(xué)和光誘導(dǎo)催化等應(yīng)用的發(fā)展，還能在量子科學(xué)領(lǐng)域中開辟新方向。相比傳統(tǒng)的納米天線，原子光學(xué)天線的量子機械特性和較低的非輻射衰減率使其在極小尺度下表現(xiàn)出更強的場增強能力，因此在現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)中得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。

【技術(shù)難點】

傳統(tǒng)的光學(xué)天線一般使用金屬納米結(jié)構(gòu)來增強局部電磁場，這使得大部分金屬納米天線產(chǎn)品仍存在諸如損耗高、線寬寬以及環(huán)境穩(wěn)定性差等不足。近年來，隨著對光與物質(zhì)相互作用需求的增加，原子級光學(xué)天線成為該領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。原子級光學(xué)天線如摻鍺金剛石空位中心（GeV）具有極高的場增強能力，理論上能夠顯著降低功耗和成本，提高光學(xué)測量的精度和可靠性。

然而，原子級光學(xué)天線的發(fā)展面臨幾個技術(shù)難點。其中一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)是如何在固體中保持原子級的光學(xué)相干性。GeV雖然在低溫下表現(xiàn)出優(yōu)異的光學(xué)相干性和高的光場增強能力，但其實際應(yīng)用中常受到環(huán)境誘導(dǎo)的非輻射過程的限制，如電荷波動、噪聲和聲子散射。這些非輻射過程導(dǎo)致的非輻射衰減率遠大于內(nèi)在的輻射衰減率，從而嚴(yán)重限制了GeV的實際應(yīng)用效果。

目前，學(xué)界和業(yè)界已經(jīng)提出了一些方案來解決這些問題。例如，通過優(yōu)化材料選擇和改進制備工藝來降低環(huán)境干擾，以及采用更為精確的測量技術(shù)來提升光場增強效果。這些方案的優(yōu)勢在于可以顯著提升原子級光學(xué)天線的場增強能力和應(yīng)用穩(wěn)定性，但其缺點在于技術(shù)實現(xiàn)復(fù)雜且成本較高。

【研究內(nèi)容】

為了填補這一知識空白，美國芝加哥大學(xué)Alexander A. High教授團隊在“Nature Photonics”期刊上發(fā)表了題為“Atomic optical antennas in solids”的最新論文。該教授課題組利用摻鍺的金剛石空位中心（GeV）作為原子天線，實現(xiàn)了光場的顯著增強，并展示了巨大的近場光強度提升。該團隊在實驗中觀察到摻鍺空位的近場光強度增強高達一百萬倍，并成功利用這些天線檢測和操控了附近的碳單空位（VC）。此外，他們還首次通過福斯特共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）驅(qū)動了來自單個中性空位（GR1中心）的可檢測熒光。這一研究成果不僅揭示了原子天線在光譜學(xué)、傳感和量子科學(xué)中的潛力，還展示了其在探測和操控量子系統(tǒng)方面的獨特優(yōu)勢。

【科學(xué)亮點】

（1）實驗首次實現(xiàn)了利用摻鍺金剛石空位中心（GeV）作為原子光學(xué)天線，以獲得極高的近場光強度增強。通過對GeV進行共振激發(fā)，作者觀察到其近場光強度增強高達百萬倍。這一結(jié)果展示了GeV作為一種原子級光學(xué)天線的潛力，相比于傳統(tǒng)的納米天線，GeV天線能夠提供更強的場增強效應(yīng)，并且對共振頻率的擾動具有更高的靈敏度。

（2）實驗通過以下步驟驗證了GeV的天線效應(yīng)和其在實際應(yīng)用中的潛力：

?  電磁場增強分析：作者對共振激發(fā)下的GeV散射場進行了數(shù)值計算，發(fā)現(xiàn)其近場光強度隨著距離的減小呈現(xiàn)出顯著的增強（∝R−6）。計算結(jié)果顯示，在距離小于1納米時，GeV的場強度增強可達10^8倍，這表明GeV具有優(yōu)異的近場增強能力。

?  VC電荷狀態(tài)操控：通過利用GeV天線的場增強效應(yīng)，作者成功地操控了附近碳單空位（VC）的電荷狀態(tài)。實驗中，作者觀察到VC的電荷狀態(tài)在GeV ZPL中通過能量分裂和躍遷進行循環(huán)，并利用這種特性實現(xiàn)了對VC電荷狀態(tài)的精確控制。

?  FRET驅(qū)動熒光：作者還使用GeV天線和福斯特共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）首次驅(qū)動了來自單個中性空位（GR1中心）的可檢測熒光。這一結(jié)果進一步驗證了GeV天線在探測和操控單個量子缺陷方面的應(yīng)用潛力。

?  性能比較：通過比較遠場驅(qū)動和GeV的共振激發(fā)下的VC電荷循環(huán)，作者證明了GeV近場的強度增強顯著優(yōu)于傳統(tǒng)納米天線。該增強效應(yīng)與VC的斯塔克位移引起的躍遷分裂和VC與GeV之間的距離強烈相關(guān)，突顯了GeV在實際應(yīng)用中的優(yōu)勢。

【圖文解讀】

圖1: 鍺germanium，GeV天線。

圖2: 鍺GeV天線感測、調(diào)控和光學(xué)激發(fā)近端空位。

圖3:  零聲子線zero-phonon line，ZPL劈裂與泵浦閾值功率負相關(guān)。

圖4: 比較非共振激發(fā)，揭示了場增強。

圖5:相比于銀納米球，鍺GeV天線效應(yīng)。

【研究啟迪】

本文的研究揭示了摻鍺金剛石空位中心（GeV）作為原子天線在光場增強方面的顯著潛力，開創(chuàng)了固態(tài)原子天線的新應(yīng)用領(lǐng)域。傳統(tǒng)的納米天線雖然在局部場增強方面已取得進展，但由于環(huán)境誘導(dǎo)的非輻射過程限制了其性能，特別是在光譜學(xué)和化學(xué)等應(yīng)用中。然而，GeV作為一個固態(tài)中的原子級量子發(fā)射體，具有極低的非輻射衰減率和出色的光學(xué)相干性，能夠?qū)崿F(xiàn)比傳統(tǒng)納米天線更強的近場光學(xué)增強。這種增強使得GeV在單分子光譜學(xué)和光誘導(dǎo)催化等領(lǐng)域具有了前所未有的應(yīng)用前景。

具體而言，GeV天線不僅能夠在納米尺度上實現(xiàn)極高的場強度增強，還能有效地用于探測和操控附近的碳單空位（VC），并通過福斯特共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）驅(qū)動來自單個中性空位的可測量熒光。這些特性使GeV天線在量子科學(xué)、傳感器技術(shù)以及光譜學(xué)等領(lǐng)域具有了廣泛的應(yīng)用潛力。未來的研究可以進一步探索GeV天線在其他科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，例如量子計算、量子通信以及高靈敏度傳感器等。

文獻信息：Li, Z., Guo, X., Jin, Y. et al. Atomic optical antennas in solids. Nat. Photon. (2024). https://doi.org/10.1038/s41566-024-01456-5

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