芝加哥大学Nature Photonics解锁原子天线的新纪元，通讯信号增强高达100万！

【研究背景】

原子光学天线是未来光学与量子科技发展的重要趋势。原子光学天线的作用在于显著增强局部电磁场强度，从而提升光与物质相互作用的效率，这一效果在许多应用中至关重要，包括通信、传感和成像等领域。近年来，固态中的色心，例如金刚石中的掺锗空位（GeV），被证明具有优异的光学相干性和极高的场增强能力。通过利用这些原子光学天线，可以实现比传统纳米天线更为显著的光场增强，达到百万倍的强度提升。这种增强效应不仅能够推动单分子光谱学和光诱导催化等应用的发展，还能在量子科学领域中开辟新方向。相比传统的纳米天线，原子光学天线的量子机械特性和较低的非辐射衰减率使其在极小尺度下表现出更强的场增强能力，因此在现代光学技术中得到了广泛的关注和应用。

【技术难点】

传统的光学天线一般使用金属纳米结构来增强局部电磁场，这使得大部分金属纳米天线产品仍存在诸如损耗高、线宽宽以及环境稳定性差等不足。近年来，随着对光与物质相互作用需求的增加，原子级光学天线成为该领域的重要发展方向。原子级光学天线如掺锗金刚石空位中心（GeV）具有极高的场增强能力，理论上能够显著降低功耗和成本，提高光学测量的精度和可靠性。

然而，原子级光学天线的发展面临几个技术难点。其中一个关键挑战是如何在固体中保持原子级的光学相干性。GeV虽然在低温下表现出优异的光学相干性和高的光场增强能力，但其实际应用中常受到环境诱导的非辐射过程的限制，如电荷波动、噪声和声子散射。这些非辐射过程导致的非辐射衰减率远大于内在的辐射衰减率，从而严重限制了GeV的实际应用效果。

目前，学界和业界已经提出了一些方案来解决这些问题。例如，通过优化材料选择和改进制备工艺来降低环境干扰，以及采用更为精确的测量技术来提升光场增强效果。这些方案的优势在于可以显著提升原子级光学天线的场增强能力和应用稳定性，但其缺点在于技术实现复杂且成本较高。

【研究内容】

为了填补这一知识空白，美国芝加哥大学Alexander A. High教授团队在“Nature Photonics”期刊上发表了题为“Atomic optical antennas in solids”的最新论文。该教授课题组利用掺锗的金刚石空位中心（GeV）作为原子天线，实现了光场的显著增强，并展示了巨大的近场光强度提升。该团队在实验中观察到掺锗空位的近场光强度增强高达一百万倍，并成功利用这些天线检测和操控了附近的碳单空位（VC）。此外，他们还首次通过福斯特共振能量转移（FRET）驱动了来自单个中性空位（GR1中心）的可检测荧光。这一研究成果不仅揭示了原子天线在光谱学、传感和量子科学中的潜力，还展示了其在探测和操控量子系统方面的独特优势。

【科学亮点】

（1）实验首次实现了利用掺锗金刚石空位中心（GeV）作为原子光学天线，以获得极高的近场光强度增强。通过对GeV进行共振激发，作者观察到其近场光强度增强高达百万倍。这一结果展示了GeV作为一种原子级光学天线的潜力，相比于传统的纳米天线，GeV天线能够提供更强的场增强效应，并且对共振频率的扰动具有更高的灵敏度。

（2）实验通过以下步骤验证了GeV的天线效应和其在实际应用中的潜力：

▪  电磁场增强分析：作者对共振激发下的GeV散射场进行了数值计算，发现其近场光强度随着距离的减小呈现出显著的增强（∝R−6）。计算结果显示，在距离小于1纳米时，GeV的场强度增强可达10^8倍，这表明GeV具有优异的近场增强能力。

▪  VC电荷状态操控：通过利用GeV天线的场增强效应，作者成功地操控了附近碳单空位（VC）的电荷状态。实验中，作者观察到VC的电荷状态在GeV ZPL中通过能量分裂和跃迁进行循环，并利用这种特性实现了对VC电荷状态的精确控制。

▪  FRET驱动荧光：作者还使用GeV天线和福斯特共振能量转移（FRET）首次驱动了来自单个中性空位（GR1中心）的可检测荧光。这一结果进一步验证了GeV天线在探测和操控单个量子缺陷方面的应用潜力。

▪  性能比较：通过比较远场驱动和GeV的共振激发下的VC电荷循环，作者证明了GeV近场的强度增强显著优于传统纳米天线。该增强效应与VC的斯塔克位移引起的跃迁分裂和VC与GeV之间的距离强烈相关，突显了GeV在实际应用中的优势。

【图文解读】

图1: 锗germanium，GeV天线。

图2: 锗GeV天线感测、调控和光学激发近端空位。

图3:  零声子线zero-phonon line，ZPL劈裂与泵浦阈值功率负相关。

图4: 比较非共振激发，揭示了场增强。

图5:相比于银纳米球，锗GeV天线效应。

【研究启迪】

本文的研究揭示了掺锗金刚石空位中心（GeV）作为原子天线在光场增强方面的显著潜力，开创了固态原子天线的新应用领域。传统的纳米天线虽然在局部场增强方面已取得进展，但由于环境诱导的非辐射过程限制了其性能，特别是在光谱学和化学等应用中。然而，GeV作为一个固态中的原子级量子发射体，具有极低的非辐射衰减率和出色的光学相干性，能够实现比传统纳米天线更强的近场光学增强。这种增强使得GeV在单分子光谱学和光诱导催化等领域具有了前所未有的应用前景。

具体而言，GeV天线不仅能够在纳米尺度上实现极高的场强度增强，还能有效地用于探测和操控附近的碳单空位（VC），并通过福斯特共振能量转移（FRET）驱动来自单个中性空位的可测量荧光。这些特性使GeV天线在量子科学、传感器技术以及光谱学等领域具有了广泛的应用潜力。未来的研究可以进一步探索GeV天线在其他科学领域的应用，例如量子计算、量子通信以及高灵敏度传感器等。

文献信息：Li, Z., Guo, X., Jin, Y. et al. Atomic optical antennas in solids. Nat. Photon. (2024). https://doi.org/10.1038/s41566-024-01456-5

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