光子学技术领域新突破 | 新国大苏研院刘小钢团队在《自然》发表科研成果

近日，新加坡国立大学苏州研究院（以下简称“新国大苏研院”）首席研究员刘小钢及团队成员在国际学术期刊《自然》(Nature)上发表研究成果，在光子学技术领域取得了新突破。研究团队发现了一种被称为"超临界耦合"的不寻常光学现象，它能将光子的上转换效率提高几个数量级。这一发现开辟了操纵光的新途径，可推动量子计算、超分辨率成像等量子技术以及激光器、光腔和谐振器等光子设备的发展。

研究背景

材料中的光子上转换是一种吸引了广泛关注的现象，主要因为它在能量转换和生物成像等领域具有重要的应用潜力。这一过程涉及到镧系元素发射的光子能量高于吸收的光子能量，这是通过连续吸收两个或多个光子来实现的。然而，由于掺镧纳米粒子辐照度和光学共振临界耦合条件的固有限制，实现高效光子上转换仍然面临着挑战。超临界耦合(Supercritical Coupling)概念在应对这些挑战方面发挥着关键作用。这种全新的方法利用了"连续体中的束缚态"(BICs)物理学，通过BICs使光被困在开放结构中，在理论上具有无限的寿命，超越了临界耦合的极限。

研究结果

刘小钢教授研究团队与意大利国家研究委员会的Gianluigi Zito博士合作，在超临界耦合的发现开辟了操纵光的新方法，使得准BIC场即使在辐射品质因数发散的情况下，也能达到非辐射损耗带来的最大增强效果。该方法能将光子的上转换效率提高几个数量级，这种增强还使自准直光子的定向传播变得异常精确。

▲超临界耦合和定向上转换发射的原理

应用场景

突破不仅是一项基础性发现，而且标志着纳米光子学领域的一次根本性变革，改变了大众对纳米尺度光操纵的理解。这种操纵光的新方法不仅适用于广泛的物理过程，并在光源开发、能量收集和光化学催化方面具有潜在的应用前景。随着材料科学和纳米技术的发展，研发更高效和稳定的镧系光子上转换材料，将为多个领域带来颠覆性的进步。

新国大苏研院的科研工作聚焦前沿技术，开展原创性、应用性研究，与产业发展强关联，与苏州工业园区及地方科技深融入，已建立生物医疗与健康、能源与环境纳米两大科技创新平台。新国大苏研院致力于推动科技成果转化落地工作，希望通过研究产生有影响力的高科技创新产品，赋能地方产业升级。目前，研究院承担各级科研项目170余项，在国际著名期刊发表了1200余篇有影响力的科研论文，其中4篇发表在Nature母刊，35篇发表在Nature子刊