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科研進展

2021年11月08日
中國科大實現深亞波長電磁場的局域和檢測

愛游戲體育登錄郭光燦院士團隊在納米尺度量子傳感研究中取得重要進展。該團隊孫方穩教授課題組將量子傳感技術與光學超分辨成像技術相結合,研究納米尺度電磁場的超小局域和高精度探測,實驗實現了百萬分之一波長尺度電磁場局域。基于該發現,進一步將局域電磁場能量和與物質相互作用強度分別提升了8個和4個量級。該成果以“Focusing the electromagnetic field to 10?6λ for ultra-high enhancement of field-matter interaction”為題,于11月4日發表在國際知名期刊《自然·通訊》上。

一般情況下(xia),電(dian)磁(ci)(ci)波因為(wei)其波動(dong)性,最小可以(yi)被束縛在(zai)其波長范圍內。然(ran)而,為(wei)了追(zhui)求與(yu)物質的(de)(de)(de)強相互(hu)作(zuo)用(yong)(yong),納米(mi)科學需要(yao)實(shi)現(xian)更小尺(chi)度的(de)(de)(de)電(dian)磁(ci)(ci)場(chang)局域和檢測(ce),推動(dong)納米(mi)加工(gong),信息存儲,生物傳感,微波光子學和量子信息等(deng)技術(shu)的(de)(de)(de)發展。當前(qian),基于倏逝(shi)場(chang)耦合,已經可以(yi)實(shi)現(xian)亞波長尺(chi)度的(de)(de)(de)電(dian)磁(ci)(ci)場(chang)局域,并在(zai)微納光電(dian)子等(deng)領域得到廣(guang)泛應用(yong)(yong)。此外,高空間分辨(bian)率的(de)(de)(de)電(dian)磁(ci)(ci)場(chang)有效探測(ce)也制約著納米(mi)尺(chi)度電(dian)磁(ci)(ci)場(chang)與(yu)物質相互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)的(de)(de)(de)機理(li)研(yan)究和應用(yong)(yong)發展。

孫方穩課題組一直致力(li)于利(li)用量子傳感(gan)技術實現微納電磁場的(de)高精(jing)度探測。基于金剛(gang)石氮-空位系統(tong),提出并發展了超低泵浦功率(lv)的(de)電荷態耗(hao)盡納米(mi)成(cheng)(cheng)像術,實現了4.1納米(mi)空間分辨(bian)率(lv)的(de)成(cheng)(cheng)像和量子態調控(Light: Science &Applications4, e230(2015);Phys. Rev. Appl.7,014008(2017))。

在本研究中,課題組將電荷態耗盡納米成像與氮-空位色心的量子傳感技術結合,用于對納米尺度微波場的表征。實驗上,通過探測納米線周圍局域微波場(波長:10.4厘米)泵浦下不同軸向氮-空位色心電子的自旋躍遷,實驗觀察到微波場可以被局域在納米線附近約291納米區域內,相當于其波長的10-6倍。進一步測量納米尺度電磁場的強度和矢量信息,發現該深亞波長的局域來自于一維納米導電材料中電子運動的近場輻射,而非電磁波的倏逝場。基于該實驗結果,課題組設計了金屬納米線-蝴蝶結天線結構,用于對自由空間微波場收集、局域并增強與電子自旋的相互作用。通過測量局域微波場泵浦下電子自旋的拉比振蕩,觀察到此結構可將局域微波能量增強8個量級,提高與自旋相互作用強度4個量級。利用該納米線-蝴蝶結天線的偏振依賴特性,課題組還通過改變自由空間微波場的偏振實現對自旋比特的選擇性操控,驗證了該結構用于高空間分辨率量子比特操控。

該成果將高空間分辨率量(liang)(liang)子(zi)傳(chuan)感(gan)成功應用(yong)(yong)在納米科學(xue)研究中,為探索(suo)納米尺度(du)下的電(dian)磁場與(yu)物質(zhi)相(xiang)互作(zuo)用(yong)(yong)提供(gong)了(le)一種有效工具。實驗中實現的深(shen)亞波長電(dian)磁場局域及超強電(dian)磁場與(yu)物質(zhi)的相(xiang)互作(zuo)用(yong)(yong)不(bu)僅可用(yong)(yong)于遠場量(liang)(liang)子(zi)比(bi)特操控,還可用(yong)(yong)于極弱電(dian)磁信號的測量(liang)(liang),如發展基于量(liang)(liang)子(zi)比(bi)特的微波雷(lei)達等技術(shu)。

文章第一作(zuo)者為中科院(yuan)量子信息重點實驗室副研究員陳向(xiang)東(dong)博士,通訊作(zuo)者為孫方穩(wen)教授。該工作(zuo)得到了科技部(bu)、基金委、中國科學院(yuan)和安徽省的(de)資助。

圖1 納(na)米線-蝴蝶結天線結構(gou)對自由空(kong)間電(dian)磁場的局域和增(zeng)強。

論文鏈(lian)接:


(中科(ke)院(yuan)量子(zi)信息(xi)重(zhong)點實(shi)驗室、中科(ke)院(yuan)量子(zi)信息(xi)和量子(zi)科(ke)技創(chuang)新研(yan)究院(yuan)、科(ke)研(yan)部)

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