由香港大學(xué)物理系臨時(shí)系主任張爽教授和中國(guó)國(guó)家納米科學(xué)與技術(shù)中心的戴清教授共同領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組提出了納米光子學(xué)領(lǐng)域一個(gè)常見問題的解決方案--在極小尺度上研究光。他們的研究成果最近發(fā)表在著名學(xué)術(shù)期刊《自然·材料》上，提出了一種合成復(fù)頻波（CFW）方法來解決偏振子傳播中的光損耗問題。

這些研究成果提供了實(shí)用的解決方案，如在計(jì)算機(jī)芯片和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備等設(shè)備中使用更高效的光基設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)更快、更緊湊的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理，并提高傳感器、成像技術(shù)和安全系統(tǒng)的精度。

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表面等離子體極化子和聲子極化子具有高效儲(chǔ)能、局部場(chǎng)增強(qiáng)和高靈敏度等優(yōu)點(diǎn)，這得益于它們?cè)谛〕叨壬舷拗乒獾哪芰�。然而，它們的�?shí)際應(yīng)用卻受到歐姆損耗問題的阻礙，歐姆損耗會(huì)在與天然材料相互作用時(shí)導(dǎo)致能量耗散。

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雙曲聲子極化子和橢圓聲子極化子在α-MoO3 薄膜上的傳播。(a) 在 α-MoO3 薄膜上放置天線的原子力顯微鏡。(b) 在不同實(shí)際頻率下測(cè)量雙曲極化子的實(shí)際頻率。(c) 復(fù)頻測(cè)量提供了超長(zhǎng)距離傳播行為。(d) 兩個(gè)不同間距金天線的原子力顯微鏡。(e) 實(shí)際頻率 f=990cm-1 時(shí)的振幅和實(shí)部測(cè)量值。(f) 復(fù)頻 f=(990-2i)cm-1 時(shí)的振幅和實(shí)部測(cè)量值。

過去三十年來，這一限制阻礙了用于傳感、超成像和納米光子電路的納米光子學(xué)的發(fā)展。克服歐姆損耗將大大提高器件性能，從而推動(dòng)傳感技術(shù)、高分辨率成像和先進(jìn)納米光子電路的發(fā)展。

論文通訊作者張爽教授解釋了研究重點(diǎn)："為了解決關(guān)鍵應(yīng)用中的光損耗難題，我們提出了一種實(shí)用的解決方案。通過采用新穎的合成復(fù)波激勵(lì)，我們可以實(shí)現(xiàn)虛擬增益，抵消極化子系統(tǒng)的內(nèi)在損耗。為了驗(yàn)證這種方法，我們將其應(yīng)用于聲子極化子傳播系統(tǒng)，并觀察到極化子傳播的顯著改善。"

"我們使用聲子極化子材料（如氫化硼和氧化鉬）在光學(xué)頻率范圍內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，證明了這種方法。正如預(yù)期的那樣，我們獲得了幾乎無損的傳播距離，這與理論預(yù)測(cè)一致，"論文第一作者、香港大學(xué)物理系博士后關(guān)復(fù)新博士補(bǔ)充道。

克服光損耗的多頻方法

在這項(xiàng)研究中，研究小組開發(fā)了一種新穎的多頻方法來解決偏振子傳播中的能量損耗問題。他們使用一種被稱為"復(fù)頻波"的特殊類型波來實(shí)現(xiàn)虛擬增益并補(bǔ)償光學(xué)系統(tǒng)中的損耗。普通波在一段時(shí)間內(nèi)保持恒定的振幅或強(qiáng)度，而復(fù)頻波則同時(shí)表現(xiàn)出振蕩和放大。這種特性可以更全面地表現(xiàn)波的行為，并能補(bǔ)償能量損失。

雖然頻率通常被視為實(shí)數(shù)，但它也有虛部。這個(gè)虛部告訴我們，隨著時(shí)間的推移，波是如何變強(qiáng)或變?nèi)醯�。具有�?fù)（正）虛部的復(fù)頻波會(huì)隨著時(shí)間的推移而衰減（放大）。然而，在光學(xué)中直接進(jìn)行復(fù)頻波激勵(lì)下的測(cè)量具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗�需要�?fù)雜的時(shí)序測(cè)量。為了克服這一難題，研究人員采用了傅里葉變換數(shù)學(xué)工具，將截?cái)嗟膹?fù)頻波（CFW）分解為具有獨(dú)立頻率的多個(gè)分量。

就像您在烹飪時(shí)需要一種很難找到的特定配料一樣，研究人員也采用了類似的思路。他們將復(fù)雜的頻率波分解成更簡(jiǎn)單的成分，就像在菜譜中使用替代配料一樣。每個(gè)成分代表了頻率波的不同方面。這就像通過使用替代配料來制作一道美味佳肴，從而獲得所需的風(fēng)味。通過測(cè)量不同頻率下的這些分量并將數(shù)據(jù)結(jié)合起來，他們重建了復(fù)頻波照射下的系統(tǒng)行為。這有助于他們理解和補(bǔ)償能量損失。這種方法大大簡(jiǎn)化了 CFW 在不同應(yīng)用中的實(shí)際應(yīng)用，包括極化子傳播和超成像。通過在固定間隔的不同實(shí)際頻率下進(jìn)行光學(xué)測(cè)量，就可以構(gòu)建出系統(tǒng)在復(fù)頻下的光學(xué)響應(yīng)。這可以通過對(duì)不同實(shí)際頻率下獲得的光學(xué)響應(yīng)進(jìn)行數(shù)學(xué)組合來實(shí)現(xiàn)。

該論文的另一位通訊作者、國(guó)家納米科學(xué)與技術(shù)中心的戴清教授指出，這項(xiàng)工作為解決納米光子學(xué)中存在已久的光損耗問題提供了切實(shí)可行的解決方案。他強(qiáng)調(diào)了合成復(fù)頻方法的重要意義，指出該方法可輕松應(yīng)用于分子傳感和納米光子集成電路等其他各種應(yīng)用。他進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)說："這種方法非常了不起，而且普遍適用，因?yàn)樗�還可以用來解決其他波系統(tǒng)的損耗問題，包括聲波、彈性波和量子波，從而將成像質(zhì)量提高到前所未有的水平。"