編譯 劉迪一

納米光子學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)家致力于精確控制光及其與物質(zhì)的相互作用。其中一些成功的嘗試包括創(chuàng)紀(jì)錄的光伏效率，可檢測單分子和微量病毒及細(xì)菌的傳感器，以及能夠無創(chuàng)殺死腫瘤的療法等。未來的技術(shù)，例如用于近光速空間推進(jìn)的太陽帆、光量子計算機(jī)以及用于深海探索的傳感器，也都在研發(fā)中。

這些技術(shù)如何發(fā)揮作用？納米光子學(xué)家設(shè)計了控制光的振幅、相位、偏振和定位的方法。支撐納米光子學(xué)的一些獨特原理已經(jīng)被運(yùn)用了幾個世紀(jì)。中世紀(jì)的工匠通常使用金屬納米粒子來調(diào)整窗戶彩色玻璃的顏色。另一個更古老的例子則可追溯至公元4世紀(jì)——著名的萊克格斯杯，其玻璃在反射光下呈綠色，但在透射光下呈紅色。在這兩個納米光子學(xué)案例中，分散于內(nèi)部的金屬納米粒子會在特定波長下表現(xiàn)出可見光的共振吸收或散射，從而產(chǎn)生鮮明色彩。

然而直到過去20年間，納米光子學(xué)領(lǐng)域才得以迅速發(fā)展。近來爆發(fā)式涌現(xiàn)的創(chuàng)新材料，包括二維化合物及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)，以及金屬、介電和半導(dǎo)體納米粒子等，都助推了納米光子學(xué)起飛。這些新材料中的每一種，都能在所有維度上以接近原子級的精度組裝。此外，改進(jìn)的計算、機(jī)器學(xué)習(xí)以及量子模擬加速了材料設(shè)計。那些被用于打造工藝節(jié)點僅為幾個原子長度的計算機(jī)芯片以及其他低成本納米級設(shè)備的制造技術(shù)，也能在納米光子學(xué)領(lǐng)域發(fā)光發(fā)熱。

不妨?xí)诚胍幌挛磥恚何覀兛赡軗碛写罅壳鍧嵞茉矗鸩教蕴剂?；可能擁有不排放有害污染物也不產(chǎn)生無用副產(chǎn)品的化學(xué)制造工藝；可能擁有現(xiàn)場診斷和傳感器；還有光速運(yùn)行、能耗極少的計算機(jī)……納米光子學(xué)的進(jìn)步有望實現(xiàn)這一暢想。本文從基本原理層面介紹了納米光子學(xué)。

材料的“調(diào)色板”

材料的光學(xué)響應(yīng)與其電子行為直接相關(guān)。金屬和半金屬具有自由傳導(dǎo)電子，其光學(xué)響應(yīng)不同于電子被束縛的半導(dǎo)體和絕緣介電材料。納米光子學(xué)家能像裁縫一樣設(shè)計打造由金屬或半金屬材料制成的納米結(jié)構(gòu)，以精確控制其光學(xué)響應(yīng)（圖1）。

圖1 光學(xué)共振 左側(cè)圖示（從上至下）中，納米結(jié)構(gòu)如果具有自由電子，則可經(jīng)歷等離子體共振（電荷密度振蕩）；如果具有束縛電子，則可經(jīng)歷介電共振；如果具有束縛電子-空穴對，則可經(jīng)歷激子共振。共振產(chǎn)生電偶極子，限定并增強(qiáng)微小空間內(nèi)的電場。（a）銀-鈀納米棱鏡中等離子體模式的實驗圖揭示了電場在棱鏡尖端（左）和邊緣（右）的限制。（b）隨著垂直硅介電納米棒的半徑從30納米增至180納米，它的顏色會發(fā)生變化。（c）照片顯示了二維材料的激子白光反射率（左）及其堆疊和扭轉(zhuǎn)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)（右）

光場可以使金屬納米顆粒中的自由電子發(fā)生表面等離子體共振。等離子體光子學(xué)是一門研究表面等離子體共振的原理和應(yīng)用的學(xué)科。振蕩的自由電子產(chǎn)生電偶極子，后者限定并增強(qiáng)極小空間內(nèi)的電場——這個微小的電場空間對周圍環(huán)境高度敏感。我們在金屬薄膜中也可觀察到等離子體行為，其擴(kuò)展的維度允許表面等離子體激元沿著薄膜與其周圍環(huán)境之間的界面?zhèn)鞑ァ?/p>

摻雜半導(dǎo)體也是一種常見的等離子體材料。與金屬一樣，這些等離子體激元依賴自由傳導(dǎo)電子，其濃度和遷移率可以根據(jù)材料及其摻雜物進(jìn)行調(diào)整。相較金屬，由于其自由載流子濃度較低，許多摻雜半導(dǎo)體表現(xiàn)出較低能量的紅外共振，吸收的光也較少。這方面的最新進(jìn)展包括制造堅固且耐火的等離子體陶瓷材料，例如氮化鈦和氮化鋯。它們具有高熔點，并且可于2 000℃以上高溫下保持化學(xué)穩(wěn)定。這令它們能在極端環(huán)境下工作，也能承受沖擊和污染物接觸。它們非常適合用作耐用的等離子體催化劑和緊湊型傳感器。

介電共振擁有等離子體激元模式的許多令人興奮的特性——它們將光限制于小空間內(nèi)，并顯著強(qiáng)化電磁場。光在電介質(zhì)中仍能產(chǎn)生偶極矩，導(dǎo)致束縛電荷（而非自由電子）在材料中振蕩。介電納米結(jié)構(gòu)也具備獨特的特征。例如，由于它們的介電常數(shù)值為正，它們能支持處于電介質(zhì)內(nèi)部而非界面處的強(qiáng)電場和強(qiáng)磁場。當(dāng)光的能量不足以激發(fā)材料的電子跳躍帶隙時，電介質(zhì)也是無損耗的。因此，不同于金屬，它們的納米光子結(jié)構(gòu)不會局部發(fā)熱，且可表現(xiàn)出更長壽命的共振和更理想的光譜線寬——這就是所謂的高品質(zhì)因子共振。

原子級厚度的二維材料也正成為一類重要納米光子元件。它們可以涵蓋電子行為的整個范圍。過渡金屬碳化物和氮化物（MXene）、石墨烯可以像半導(dǎo)體或金屬一樣發(fā)揮作用，并且支持等離子體激元。過渡金屬二硫化物，例如二硫化鉬和二硒化鎢，在材料和主體激子（束縛電子-空穴對）的平面上表現(xiàn)出半導(dǎo)體行為。禁帶更寬的二維材料，例如六方氮化硼，通常表現(xiàn)出絕緣、介電行為。

其中一些材料還可容納色心，即晶格里的缺陷（作為單光子發(fā)射器）。重要的是，它們可以大面積剝離并堆疊形成三維異質(zhì)結(jié)構(gòu)和所謂的原子超材料。即便二維材料的厚度多達(dá)幾納米，材料各處的吸收和反射性能也接近一致，而且科學(xué)家可通過施加的電壓或光強(qiáng)度來強(qiáng)有力調(diào)節(jié)其折射率。此外，它們還具有可直接被光子自旋激發(fā)的電子自旋，并充當(dāng)光學(xué)可尋址的自旋量子位和量子傳感器。

來自上述任何材料的亞波長尺寸納米粒子的周期性排列可產(chǎn)生與塊體材料不同的集體光學(xué)響應(yīng)。超表面和超材料利用這種行為塑造光波陣面。通過調(diào)整納米級天線單元的幾何形狀，研究人員生產(chǎn)出了許多平面光學(xué)器件，例如透鏡、光束轉(zhuǎn)向器、全息圖以及超?。▉單⒚祝┖统p（毫克級）平臺中的激光器。這些平面神器3D版本——超材料——實現(xiàn)了科幻的場景，例如負(fù)折射和隱形斗篷，這要歸功于它們對光的色散和傳播（從分子到宏觀長度尺度）的完全控制。

等離子體催化

金屬納米粒子是生產(chǎn)肥料、燃料和材料的常見催化劑。例如：哈伯-博世工藝（又稱哈伯法）的鐵基催化劑產(chǎn)生氨；鈀納米顆粒催化塑料和醫(yī)藥中間體的形成；金納米粒子催化太陽能燃料的產(chǎn)生并使二氧化碳減少。為克服各種反應(yīng)步驟的活化勢壘，金屬納米粒子催化的反應(yīng)通常在高溫下進(jìn)行，一般通過燃燒石油燃料實現(xiàn)。

與熱催化相比，等離子體催化有望實現(xiàn)精準(zhǔn)化學(xué)——化學(xué)反應(yīng)兼具高產(chǎn)率和產(chǎn)物選擇性，同時無溫室氣體排放。表面等離子體激元產(chǎn)生納米級控制的電子、光子和聲子分布。它們提供了一把用于雕塑反應(yīng)動力學(xué)的化學(xué)“手術(shù)刀”，其精度比使用傳統(tǒng)熱催化、電催化或光催化所能達(dá)到的水準(zhǔn)高出幾個數(shù)量級。等離子體激元通過三種主要機(jī)制提供這種控制。

其一，等離子體金屬納米粒子表面的強(qiáng)電磁場局部放大光子通量，可用于提高大量化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)率。其二，與等離子體近場相關(guān)的局部加熱可提高化學(xué)反應(yīng)速率并改變產(chǎn)物。第三點，照射表面可將電子溫度提高至幾千開爾文，因為電子的熱容比其主體晶格小得多。

這種在等離子體激元衰變時產(chǎn)生的熱電子或空穴，利用分子表面吸附物或催化劑晶格本身來發(fā)散自身能量，以此加熱系統(tǒng)至幾百開爾文。等離子體催化的這一特征不僅能影響小分子的解離和解吸，還可以開辟新的光激發(fā)條件下的激發(fā)態(tài)反應(yīng)途徑（圖2）。

圖2 等離子體催化 催化劑上的分子吸附物最初位于基態(tài)勢能表面上的平衡位置，需要一定的活化能才能解離。催化劑（等離子體粒子）的光激發(fā)將能量沉積到吸附物中，使其達(dá)到激發(fā)態(tài)，從而可以發(fā)生反應(yīng)

傳統(tǒng)的過渡金屬催化劑，如鐵、鈀、鉑和鎳，其可見頻率等離子體共振較弱。但它們可與銀、金和銅等等離子體金屬結(jié)合，增強(qiáng)光的吸收，同時保持高化學(xué)活性。雙金屬系統(tǒng)可以被創(chuàng)建為多納米粒子天線反應(yīng)器復(fù)合體或催化金屬和等離子體金屬的合金。

最近，等離子體催化領(lǐng)域取得許多令人興奮的進(jìn)展，這讓可持續(xù)的氫氣生產(chǎn)、水分解、氨合成、碳捕獲和CO2還原成為可能。例如，萊斯大學(xué)博士生袁益高（Yigao Yuan，音譯）及其同事展示了借助發(fā)光二極管（LED）用氨制備氫氣的方法。與熱催化相比，光催化可提高反應(yīng)速率和產(chǎn)物選擇性。

其他令人興奮的催化工作主要是對選擇性反應(yīng)的探索，包括用乙炔生產(chǎn)塑料聚乙烯，以及開發(fā)用于工業(yè)材料（例如鋼鐵）的大型光反應(yīng)器。當(dāng)然，盡管一些初創(chuàng)公司正取得喜人成果，但未來的一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于——開發(fā)出能高效照射、激發(fā)此類催化劑的反應(yīng)器。

太陽能收集、儲存和冷卻

硅基和硅串聯(lián)太陽能電池成本低，效率也不斷提高，這使得光伏（PV）能源比化石燃料更加經(jīng)濟(jì)。隨著太陽能光伏技術(shù)的應(yīng)用規(guī)模不斷擴(kuò)張，科學(xué)家努力嘗試提升太陽能電池的效率。各種等離子體系統(tǒng)可以捕獲入射光并將其集中或引導(dǎo)穿過光伏電池。此類系統(tǒng)還可提高太陽能聚光器和太陽能升頻器的效率。太陽能升頻器將能量可能低于太陽能電池帶隙的光子轉(zhuǎn)化為可吸收的更高能量光子。

此外，對光伏材料本身進(jìn)行納米圖案化以支持捕獲光的介電共振，有助于防止非輻射復(fù)合。一些納米光子材料系統(tǒng)甚至能打破發(fā)射和吸收之間的對等性（洛倫茲互易定理），從而進(jìn)一步提高太陽能光伏效率。其中一些基本發(fā)現(xiàn)目前已經(jīng)商業(yè)化。

太陽光不是全天都有，我們需要可擴(kuò)展的能源存儲設(shè)備，以便徹底淘汰化石燃料。盡管電池技術(shù)迅速發(fā)展，但它們的成本效益和可行性仍不理想。幸運(yùn)的是，還有其他選擇。蓄熱介質(zhì)（例如石墨）通過焦耳加熱來存儲電能。然后可以使用熱光伏（TPV）電池將熱能轉(zhuǎn)換回電能。此類電池由帶隙能量低于硅的半導(dǎo)體制成，例如砷化銦鎵，它可以吸收從蓄熱介質(zhì)發(fā)射的低能光子。

放置于熱光伏電池背面的超反射鏡可將半導(dǎo)體未吸收的光子發(fā)送回?zé)犭姵?，這些光子以熱能形式被重新吸收，這提高了效率。如果將超反射鏡與優(yōu)化后的半導(dǎo)體材料（工作溫度達(dá)1 900～2 400℃）結(jié)合，熱光伏電池的效率將達(dá)到40%。

除了蓄熱，納米光子設(shè)計還可提供新穎的冷卻方法。在美國，空調(diào)消耗的電量占建筑物耗電總量的15%。溫度更高的物體會將熱量轉(zhuǎn)移至更低溫物體，直至達(dá)到平衡。可以把宇宙視為一個散熱器，熱量通過大氣層8～13微米的透明窗口以黑體輻射形式從地球傳遞到寒冷的外層空間（圖3）。理想的熱發(fā)射器可最大限度地提高該波長范圍內(nèi)的發(fā)射率，以避免熱量滯留大氣。然而，要在白天運(yùn)作此過程是難度極大的，因為處于白晝的地球區(qū)域在被陽光加熱。

圖3 納米光子系統(tǒng)可控制各種應(yīng)用的光吸收和熱發(fā)射率 （a）左側(cè)繪制了單位面積、單位波長的太陽輻射的光譜能量強(qiáng)度；右側(cè)繪制了來自地球的熱輻射。對于光伏應(yīng)用，應(yīng)在太陽輻射范圍內(nèi)最大化吸收。對于輻射冷卻，應(yīng)在相同范圍內(nèi)盡量減少吸收，同時在大氣透明范圍內(nèi)盡量提高發(fā)射率。（b）與熱電發(fā)電機(jī)結(jié)合使用時，輻射冷卻可用于發(fā)電，此類系統(tǒng)可以脫離電網(wǎng)發(fā)電

納米光子設(shè)備用于冷卻的系統(tǒng)會反射可見光范圍內(nèi)的太陽光，而發(fā)射中紅外熱輻射。它們不會在陽光直射下升溫，并且能將冷卻目標(biāo)的溫度降至遠(yuǎn)低于環(huán)境溫度的水平。在最初的演示中，研究人員在銀鏡上使用由氧化物薄膜組成的一維光子晶體，創(chuàng)建出一個法布里-珀羅諧振腔，可最大限度地提高8～13微米段的發(fā)射量。然后，他們將一組更薄的薄膜集成到設(shè)備中，以最大限度地反射陽光。

實際應(yīng)用這種被動輻射冷卻裝置時，需要將其與周圍環(huán)境隔離，以減少通過傳導(dǎo)和對流產(chǎn)生的熱交換。通常來說，輻射冷卻器周圍帶有絕緣材料或氣隙的設(shè)備能完成此任務(wù)。隨著該技術(shù)被推廣到了屋頂，用以改善建筑物內(nèi)部冷卻，人們也開始采用油漆和聚合物薄膜等材料，以提高設(shè)備耐用性，并降低成本。

這些輻射冷卻技術(shù)也可用于能量收集。當(dāng)設(shè)備冷卻時，它會經(jīng)歷隨空間變化的溫度梯度——可結(jié)合熱電發(fā)電機(jī)用以發(fā)電。最近，研究人員演示了這一概念，成功為LED供電。令人印象深刻的是，該演示于夜間進(jìn)行，并利用了地球與外太空之間的溫度梯度。此類技術(shù)為資源有限地區(qū)的離網(wǎng)照明提供了可能。

環(huán)境監(jiān)測

氣候變化威脅著生態(tài)系統(tǒng)健康、糧食安全和生活質(zhì)量。納米光子學(xué)提供了一種監(jiān)控氣候變化的方法。例如，環(huán)境DNA（指生物體釋放至環(huán)境的遺傳物質(zhì)）傳感器可以揭示有關(guān)物種豐度和分布的詳細(xì)信息，從而于早期階段表明它們的入侵程度。此類傳感器還可檢測土壤、空氣、河流和海洋中的毒素，調(diào)查地區(qū)是否存在野火和海嘯等極端環(huán)境條件，以便當(dāng)局警告附近社區(qū)所面臨的威脅。

納米光子材料能強(qiáng)有力地集中電磁場，這使它們可以充當(dāng)靈敏的分子探測器。在某些傳感器設(shè)計中，納米光子共振器用針對特定分析物的分子修飾。由于共振器環(huán)境的極化率或折射率的細(xì)微變化，將這些分子與目標(biāo)分析物結(jié)合會改變光學(xué)信號。

最近，科學(xué)家開發(fā)了基于等離子體和電介質(zhì)的DNA、RNA、蛋白質(zhì)和代謝物傳感器。事實上，新冠病毒快速抗原測試就依賴等離子體原理——尤其是抗原與抗體結(jié)合時金納米粒子發(fā)生的顏色變化。當(dāng)使用高品質(zhì)因子結(jié)構(gòu)（如具有導(dǎo)模共振效應(yīng)的結(jié)構(gòu)）時，測試的靈敏度甚至能提高到單分子水平。

氣相分子的檢測也問題不大。例如，鈀納米粒子在富氫環(huán)境下可發(fā)生氫化，得到的氫化鈀具有不同于純鈀的折射率和共振頻率。研究人員設(shè)計了鈀納米粒子的超表面陣列，采用這種設(shè)計的傳感器可以檢測濃度低至十億分之一的氫氣。

這種靈敏度對于快速檢測儲氫材料中的氫脆（一種金屬材料中氫引起的失去韌性和塑性的現(xiàn)象，導(dǎo)致其變得脆弱，容易發(fā)生斷裂）至關(guān)重要。擴(kuò)展氣相傳感能力，還可能引領(lǐng)遙感技術(shù)，助力旨在辨識各種氣味的光學(xué)“電子鼻”研發(fā)，推動“靈敏”的大氣氣體光譜學(xué)發(fā)展。

除了依賴表面功能化的方法，納米光子學(xué)還可利用振動光譜檢測無標(biāo)記的分子和細(xì)胞。表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS）和表面增強(qiáng)紅外吸收等技術(shù)就可以做到這一點。分析物的特定結(jié)構(gòu)信息被編碼在光子中，這些光子被對稱相關(guān)的聲子非彈性地散射。

盡管長期以來，這些振動光譜一直受效率低下的限制，但等離子體和介電材料的加入，提高了它們對單細(xì)胞和單分子水平的靈敏度。

與依賴熒光標(biāo)記的方法不同，無標(biāo)記技術(shù)能保持高時間分辨率，并且不干擾分子或細(xì)胞完整性。它們可與機(jī)器學(xué)習(xí)結(jié)合，識別數(shù)十種細(xì)菌細(xì)胞種類和菌株，包括它們的藥物敏感性——即使是在復(fù)雜液體樣品中，例如血液和廢水（圖4）。超表面在資源貧乏的環(huán)境中格外有價值，適用于單細(xì)胞分析以及無專用光譜儀情況下檢測農(nóng)藥或塑料等任務(wù)。

圖4 納米光子傳感器能以高分辨率實時監(jiān)測環(huán)境 表面增強(qiáng)拉曼散射可放大微弱振動信號以檢測分子存在。示意圖展示了激光散射至由紅細(xì)胞、細(xì)菌和等離子體納米棒組成的液滴。結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)，表面增強(qiáng)拉曼散射可檢測大腸桿菌、表皮葡萄球菌和復(fù)雜液體樣本，包括血液和廢水中的其他病原體

納米光子學(xué)在更大規(guī)模的環(huán)境監(jiān)測方面也取得了重大進(jìn)展——尤其是激光雷達(dá)技術(shù)。激光雷達(dá)是一種掃描和傳感工具，它通過對光脈沖的飛行時間測量來繪制周圍區(qū)域的地圖，類似雷達(dá)，但分辨率更高。該技術(shù)不僅在空中、太空和地面車輛上得到應(yīng)用，也在自動駕駛汽車、機(jī)器人和無人機(jī)等自主系統(tǒng)等方面扮演越發(fā)重要的角色。此外，它還可用于調(diào)查颶風(fēng)、野火和其他對當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)造成環(huán)境威脅的區(qū)域。

激光雷達(dá)裝置通常體積龐大，機(jī)動性有限。主要原因是激光光源和探測器配置于機(jī)械旋轉(zhuǎn)支架上?，F(xiàn)在，基于超表面的平面光學(xué)元件能夠完成激光雷達(dá)所需的許多任務(wù)，例如光束偏轉(zhuǎn)和點云生成。

科學(xué)家正開發(fā)所謂的電控重構(gòu)超表面，旨在用于能進(jìn)行全波前控制的固態(tài)器件。它們組成材料的折射率必須可通過施加刺激（例如電壓）來調(diào)節(jié)。液晶、相變材料、近零介電常數(shù)材料、量子阱結(jié)構(gòu)以及電光聚合物和晶體都是頗具前景的選擇。

最新進(jìn)展包括開發(fā)能夠調(diào)節(jié)光束轉(zhuǎn)向和透鏡的光電法和熱超表面器件。這項工作的重點是增加設(shè)備的視野以及切換速度和效率。通過改進(jìn)系統(tǒng)集成，研究人員還將提高納米光子激光雷達(dá)從環(huán)境處提取信息的能力，用于遠(yuǎn)程氣體傳感和高分辨率測繪等。

節(jié)能計算

據(jù)估計，數(shù)據(jù)中心的電力消耗占全球總量的1.5%。標(biāo)準(zhǔn)馮·諾依曼架構(gòu)中單次操作的能量成本受所謂的蘭道爾極限限制。然而，現(xiàn)有計算系統(tǒng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出熱力學(xué)極限——每次操作消耗的能量高了百萬倍，主要成本來自通過電子互連進(jìn)行的信號傳輸。納米光子學(xué)家正探索新的計算架構(gòu)，以求能在不犧牲計算復(fù)雜性和速度的情況下降低功耗。

圖像處理等高級計算任務(wù)通常需要在信號處理系統(tǒng)中進(jìn)行模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換。這種轉(zhuǎn)換需要電力和時間，但基于波的模擬計算可繞開這些需求。超表面能對光束做數(shù)學(xué)運(yùn)算，從而憑借高度并行運(yùn)算的能力，以相對較小的內(nèi)存占用，加快計算速度。更重要的是，被動超表面無需功耗即可運(yùn)行。

例如，已經(jīng)開發(fā)了幾種超表面平臺來檢測邊緣——這是定義圖像處理和計算機(jī)視覺特征的關(guān)鍵步驟。在微分圖像中，物體邊緣附近的亮度急劇變化被突出地顯示，而亮度更恒定區(qū)域則被濾除（圖5）。當(dāng)前的超表面處理器無須依賴數(shù)字電子計算即可實時檢測這些亮度變化。緊湊的尺寸使其能被集成到許多現(xiàn)有成像系統(tǒng)中。

圖5 超表面可以實現(xiàn)節(jié)能計算 （a）它們被設(shè)計用于檢測圖像中的邊緣，例如圖中的一顆星星。通過對入射電場進(jìn)行二階空間導(dǎo)數(shù)，超表面——由硅納米棒組成的陣列，每個納米棒都是一個有效的偶極天線——生成邊緣增強(qiáng)的輸出圖像，而圖像其余部分被濾除。右側(cè)圖片顯示了顯微鏡物鏡頂部載玻片上的人造超表面。（b）該掃描電子顯微照片顯示了邊緣檢測超表面的結(jié)構(gòu)

更復(fù)雜的超表面設(shè)計也能求解方程。例如，使用超表面和半透明反射板求解弗雷德霍姆積分方程。該設(shè)備執(zhí)行迭代諾依曼級數(shù)，通過半透明鏡反射并與超表面反復(fù)交互來收斂到解決方案。該解決方案收斂的總時間為349 飛秒，比傳統(tǒng)處理器速度快得多。該納米光子器件在可見波長下工作，其外形尺寸方面的優(yōu)勢也使它有機(jī)會與其他計算元件進(jìn)行芯片級集成。

除了模擬計算，納米光子學(xué)也在為量子信息系統(tǒng)的突破打基礎(chǔ)。光學(xué)共振器將光與用于量子信息的材料之間的相互作用放大，其放大程度與共振器的Q-V比率（品質(zhì)因子Q與模體積V的比值）成比例。

有趣的是，量子發(fā)射器若與寬帶和超快等離子體納米腔耦合，其自發(fā)衰變速率可以加快，并有可能超過物質(zhì)中的室溫量子退相干速率。這一特征對于產(chǎn)生不可分辨性光子和糾纏態(tài)尤其重要。因此，等離子體可將量子過程速率提高到不受退相干影響的程度。此外，它還能通過提供可變比特率將量子光子系統(tǒng)的操作帶入太赫茲范圍。

前景無限

利用材料科學(xué)和機(jī)器學(xué)習(xí)的進(jìn)步，研究人員不斷開發(fā)推進(jìn)化學(xué)制造、太陽能、環(huán)境監(jiān)測、計算和通信的方法。基于光與物質(zhì)之間獨特的相互作用，一套不斷增長的新材料體系有望擴(kuò)大變革的領(lǐng)域。與此同時，新算法和機(jī)器學(xué)習(xí)模型不斷提高研究人員設(shè)計更優(yōu)異光學(xué)系統(tǒng)的能力。

這些納米光子學(xué)進(jìn)展將使我們受益無窮：等離子體光催化可能提高化學(xué)生產(chǎn)的選擇性，并促進(jìn)原本在能量上不利的反應(yīng)；納米光子增強(qiáng)型光伏技術(shù)可直接集成至建筑物和窗戶里，而輻射冷卻設(shè)備徹底改變了冷卻基礎(chǔ)設(shè)施；與此同時，納米光子增強(qiáng)振動光譜將快速檢測病毒、細(xì)菌和毒素，并實時監(jiān)測空氣、水和土壤；計算將更加先進(jìn)，越發(fā)節(jié)能。簡而言之，納米光子學(xué)會給我們想象的未來世界帶來超乎想象的可能。

資料來源PhysicsToday