研究人员在介电材料中创建最小的光子

研究人员开发了一种纳米结构，可以压缩光线，使其比人类头发薄10000倍。这一根本性的科学突破对包括节能计算机和量子技术在内的多个领域都具有重要意义。

物理学家们普遍认为，不可能将光压缩到所谓的衍射极限以下，除非使用金属纳米颗粒，不幸的是，金属纳米颗粒也会吸收光。因此，在介电材料（如硅）中强烈压缩光似乎是不可能的，硅是信息技术中的关键材料，具有不吸收光的重要优势。

有趣的是，2006年理论上已经表明，衍射极限也不适用于电介质。尽管如此，还没有人成功地在现实世界中展示这一点，只是因为它需要如此先进的纳米技术，直到现在还没有人能够构建必要的介电纳米结构。

DTU的一个研究团队成功地设计并构建了一种结构，即所谓的介电纳米腔，它将光集中在衍射极限以下12倍的体积内。这一结果是光学研究的突破性成果，已经发表在《自然通讯》上。

“尽管计算机计算表明，你可以将光集中在一个无限小的点上，但这只适用于理论上。实际结果受到微小细节的限制，例如，在微芯片上。”DTU Electro博士生、这篇新文章的第一作者马库斯·阿尔布雷希特森（Marcus Albrechtsen）说。

“我们将我们对真正的光子纳米技术及其当前局限性的知识编程到计算机中。然后，我们要求计算机找到一种模式，可以在前所未有的小范围内收集光子（例如在一个光学纳米腔中），我们也能够在实验室中构建这种模式。”

光学纳米腔是专门设计用来保留光的结构，这样光就不会像我们习惯的那样传播，而是像你把两个镜子面对面一样来回反射。镜子放置得越近，镜子之间的光线就越强。为了这个实验，研究人员设计了一种所谓的蝴蝶结结构，由于其特殊的形状，这种结构在将光子挤在一起时特别有效。

跨学科的努力和优秀的方法

纳米腔由硅制成，这是最先进的现代技术所基于的介电材料。纳米腔的材料是在DTU的洁净室实验室中开发的，腔所基于的图案是使用DTU开发的独特拓扑优化方法进行优化和设计的。最初用于设计桥梁和飞机机翼，现在也用于纳米光子结构。

领导这项研究工作的副教授瑟伦·斯托布（Sren Stobbe）表示：“实现这一突破需要巨大的共同努力。之所以能够实现这一点，是因为我们成功地将DTU多个研究小组的世界领先研究结合起来。”

节能技术的重要突破

这一发现对于开发革命性的新技术具有决定性意义，这些新技术可以减少数据中心、计算机、电话等中耗能部件的数量。

计算机和数据中心的能源消耗持续增长，需要更可持续的、耗能更少的芯片架构。这可以通过用光学部件更换电路来实现。研究人员的设想是在光和电子之间使用相同的分工，用于互联网，光用于通信，电子用于数据处理。唯一的区别是，两种功能必须内置在同一芯片中，这需要将光压缩到与电子元件相同的大小。DTU的突破表明，事实上，这是可能的。

Marcus Albrechtsen表示：“毫无疑问，这是开发更节能技术的重要一步，例如用于数据中心和未来计算机的光学连接的纳米激光器，但仍有很长的路要走。”

研究人员现在将进一步努力，改进方法和材料，以找到最佳解决方案。

“现在我们有了理论和方法，随着周围技术的发展，我们将能够制造出越来越强的光子。我相信这只是围绕这些原理的物理学和光子纳米技术的一系列重大发展中的第一个。”

他最近获得了欧洲研究委员会（European Research Council）200万欧元的合并资助，用于开发基于新型腔的全新光源。

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