当光子减速后，会怎样？

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：Streiff，题图来自：《星际穿越》

一

众所周知，光的传播速度非常之快。光的这种高速特性对信息的快速交换来说至关重要；但与此同时，这种高速也会使得光在穿过材料时，与其他原子和分子发生相互作用的几率很小。如果能够设法让光子“刹住车”，无疑能为一系列全新的技术应用打开新的大门。

最近，《自然-纳米技术》杂志上刊登了一篇论文，描述了一组研究人员运用一种新的方法，显著降低了光速。

实现这项技术的核心在于用硅片制造成出纳米级的超薄条状的共振器，这些共振器可以很好地将光捕获，再可控地将光定相释放。“品质因数（quality factor）”是衡量共振器的行为时的一个重要度量，在新的研究中，研究人员制备出了具有高品质因数的共振器。这种设备的成功制备，为光的操纵和使用带来新的前景，为量子计算、虚拟现实和增强现实等领域的新应用，以及光学WIFI，甚至是检测SARS-CoV-2病毒等提供了新的技术基础。

二

新方法对光的操控与将声音困在回音室中再进行引导有些类似，从本质上看，它也是通过将光困在一个允许光从多个不同的方向进出的“小盒子”里而实现的。从技术上讲，在一个有很多面的盒子中捕获光并非难事，但难就难在当这些面是透明的，情况就完全不一样了。而这正是许多硅基应用所面临的难点。

新研究所制备的这种微小共振器的核心部件正是一层极薄的硅，这层硅可以非常高效地捕获光，甚至对近红外光也有着很低的吸收率，而近红外波段的光正是研究人员希望能够加以控制的。在制备时，研究人员需要将硅放置在一片由透明材料制成的晶片之上，他们选用了蓝宝石材料来充当这层晶片，然后利用光刻技术在晶片上蚀刻出想要的纳米天线图样。

蚀刻纳米天线是这项研究所面临的一个重大难题。高品质的共振器对其侧边的光滑度有着极高的要求，侧边的不完美会抑制捕获光的能力。因此，晶片上的图样必须蚀刻得尽可能光滑，以确保光不会泄漏。然而，这种过程在制备更大的微米级结构时或许容易，但在制备会对光造成更多散射的纳米级结构时，则会构成巨大挑战。

这对研究人员在设计蚀刻图样时提出了更高的要求。在使用计算机制图时，研究人员可以设计出有着任何几何图样的超光滑线条，然而在实际操作中，有些设计是无法实现的。因此，他们必须要找到一种折中设计，既能提供优秀的光捕获性能，又能在现有的制造能力范围之内。

 显示了这种具有高品质因数的共振器表面的艺术渲染图。图片来源：Riley A. Suhar

经过不断地调试，最终，研究人员给出了一种可为多种实际应用提供技术平台的高品质设计，其品质因数高达2500，比以往任何同类设备所能达到的品质因数高出两个数量级。

三

如此高品质因数的设备对于光学应用来说是极大的好消息，以生物传感领域为例，生物分子通常因为太小而难以被可视化，但是如果可以让光成百上千次地穿过这个分子时，就可以极大地提高产生可探测的散射效应的几率。

另外，这项技术可对医学研究意义重大。它能让光与分子发生很强的相互作用，从而帮助研究人员更好地检测到单个病毒或者是浓度极低的抗体（让免疫系统产生反应的蛋白质）。现在，研究人员正致力于将这种技术应用于检测COVID-19的抗原（触发免疫反应的分子）和抗体。另外，这种纳米共振器的设计还具有可以允许每个天线独立运作的特点，从而使得可以同时对不同类型的抗体进行检测。

除了医学应用之外，这项技术还具有许多其他的应用潜能，例如它可以用于一种名为激光雷达（LIDAR）的技术上，LIDAR意为光探测和测距（Light Detection and Ranging），是一种常被用于自动驾驶等应用的技术。

此外，这项新的技术也有望为基础研究带来突破，它可以推动量子研究的实验极限。例如，当科学家需要制造纠缠的光子时，通常会使用一些庞大的、价格高昂的、抛光完美的晶体来进行大型的光学实验。如果这一切可以通过这种新的纳米级设备实现，那么或许有一天科学家就可以用可握于手中的“纠缠发生器”来制造纠缠的光子了。

四

可以说，这些具有高品质因数的共振器，让一系列未来的技术应用有望成为可能。然而，在刚开始这项研究时，研究人员并没有预见到如此巨大的应用前景。研究人员表示，在这个发现的过程中，他们越来越深地意识到基础研究的意义和重要性，它们总能在意想不到的地方带给我们惊喜。

参考来源：

https://news.stanford.edu/2020/08/17/slow-light-beam-steering/

https://www.nature.com/articles/s41565-020-0754-x

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：Streiff