【儀表網 研發快訊】近日，復旦大學未來信息創新學院青年研究員王丹青與美國加州大學伯克利分校吳軍橋教授團隊合作，在Nature Communications雜志發表了一項題為“Long-range optical coupling with epsilon-near-zero materials”的研究成果。該研究利用具有特殊電磁學特性的近零介電常數材料，首次實現了數百微米的長程光學耦合。這一距離相比傳統光學耦合長度提升了三個數量級，相當于讓兩個僅有頭發絲千分之一厚的薄膜，隔著十倍于頭發絲的寬度，完成高效的隔空對話。
在量子力學中，電子能夠以一定概率穿過勢壘，這就是著名的量子隧穿效應，也是2025年諾貝爾物理學獎的主要成果。當兩層超導體被納米厚度的絕緣層隔開時，庫珀電子對會通過共振隧穿產生獨特的耦合現象，這種現象在超導量子計算等領域具有重要價值。
圖1. 近零介電常數薄膜材料的長程光學耦合和與量子隧穿效應的類比。
研究團隊在光學系統中類比并擴展了這一效應。他們構建了光學意義上的雙勢壘結構：兩層僅50nm厚的氧化銦錫薄膜作為勢壘，中間的二氧化硅層則作為絕緣隔板。氧化銦錫這種功能材料具有獨特的光學特性，在特定近紅外波長下，其介電常數的實部會趨近于零，因而被歸類為近零介電常數材料。
如何精確探測被禁錮在納米薄膜內部的光場及其相互作用，成為研究團隊面臨的關鍵挑戰。團隊創新性地采用二次諧波方法，通過用紅外光照射樣品，探測其發出的倍頻可見光信號。這種非線性光學信號的強度與材料內部局域電磁場強度的四次方成正比，對納米尺度下的微小場強變化具有極高的探測靈敏度。
實驗結果顯示，當改變兩層薄膜的間距時，二次諧波信號表現出清晰的周期性振蕩特征。當激光分別激發外層和內層薄膜時，信號強度呈現出典型的蹺蹺板效應——外層信號增強時內層信號相應減弱，反之亦然。這種精確的反關聯振蕩模式與理論預測很好吻合，為長程光學耦合的存在提供了有力證據。
圖2. 二次諧波產生以探測近零介電常數薄膜的長程光學耦合與近場強度關聯。
在集成光子芯片方面，這項技術使光學元件在保持數百微米距離的情況下仍能實現高效耦合，為光子芯片的架構設計帶來突新思路。在傳感技術領域，基于這種對間距變化極度敏感的光學效應，可以開發出新一代超高精度光學傳感器。在量子信息技術方面，這項研究為實現量子光源的長程耦合和大規模量子計算提供了潛在技術路徑。
復旦大學青年研究員王丹青和加州大學伯克利分校吳軍橋教授為論文的共同通訊作者。研究工作得到了上海市IV類高峰學科、美國加州大學伯克利分校米勒研究獎學金，以及美國能源部基礎能源科學項目的支持。
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