近日，芝加哥大学普里兹克分子工程学院的研究人员开发了一种新型原子天线，利用钻石中的锗空位中心，实现了高达百万倍的通讯信号增强。这一突破不仅在技术上取得飞跃，更为基础物理学的研究开辟了新的领域。
相关研究成果以“Atomic optical antennas in solids”为题，发表于Nature Photonics。
新技术的诞生，客服固态挑战
原子天线通过收集和集中光能，产生强烈的局部信号，使研究人员能够探究物质的基本构成。然而，由于固体材料中的原子会与环境相互作用，导致信号的相干性降低，因此一直难以实现固体中的原子天线的巨大强度增强。
芝加哥大学团队的核心创新在于他们在钻石中使用锗空位中心。这些中心是嵌入金刚石晶格中的原子样偶极子（atom-like dipoles），以其光学相干性和环境退相干韧性。在此之前，原子光偶极子在固体中的实际应用在很大程度上是理论上的，受到固体矩阵（solid matrix）的破坏性影响的阻碍。然而，即使在固体钻石的密集和拥挤的环境中，锗空位在光学上仍然是相干的。
Alex High博士，芝加哥大学普里兹克分子工程学院的助理教授，领导的研究团队通过使用钻石中的锗空位中心，成功克服了这一挑战。他们创造的光学能量增强达到了六个数量级，这是一个传统天线结构难以达到的领域。
这项技术的核心特点是，当电子在激发态和基态之间跃迁时，会产生振荡的电子偶极子，并集中相对巨大的能量。理论上，这使得固体中的原子光学偶极子成为出色的天线。
研究团队还发现，某些类型的色心（钻石和其他材料中的小缺陷，具有有趣的量子属性）可以免疫环境效应。这一发现为量子力学的光发射提供了研究机会。
Darrick Chang，西班牙巴塞罗那光子科学研究所的合著者表示，色心发射的光本质上是量子力学的，这使得考虑“量子光学天线”是否具有与经典光学天线不同的功能集和工作机制变得非常有趣。
这项技术不仅提供了更强的信号，还具有其他优势。与现有的单分子拉曼和FRET光谱学技术通过光照射增强信号不同，这项技术只需要纳瓦特级别的能量就能激活，这意味着在没有过度光照射造成的漂白、加热和背景荧光的情况下也能产生强信号。换句话说，这些量子光学天线可以在量子计算和量子通信的未来中发挥关键作用，因为这些情况中对量子状态的控制和操作至关重要。
首席研究员AlexHigh博士表示，真正的兴奋不仅在于研发了新形式的天线，更在于这项技术的潜力——它是一个通用特性，可以集成到广泛的系统中，并作为局部天线促进新过程的发展，这不仅有助于构建新设备，也有助于我们理解宇宙的工作原理。
应用和影响
这些基于金刚石的光学天线的潜在应用是广泛而多样的：
1.光谱学：增强的近场强度可能会彻底改变光谱技术，允许更高的灵敏度和分辨率。这在化学和生物分析中可能特别有益，在这些分析中，检测微量的物质至关重要。
2.传感：检测和控制附近碳空位的电荷状态的能力在传感应用中展示了一个新的灵敏度和精度水平。这可能会导致环境监测、医疗诊断甚至安全方面的进步。
3.量子科学：这些天线的量子力学性能使其成为量子信息处理的理想选择。它们可以促进光子和量子比特（量子比特）之间更有效的相互作用，这对量子计算机和安全量子通信网络的发展至关重要。
4.能量转移：天线提高Förster共振能量转移（ Förster resonance energy transfer, FRET）效率的能力为生物成像和分子诊断开辟了新的途径。增强的FRET可以提高这些技术的分辨率和灵敏度，使在分子水平上研究复杂的生物过程更容易。
5.纳米成像：这些天线提供的强大磁场增强可能导致纳米成像的新技术，提供前所未有的细节和 分辨率。这在材料科学和纳米技术等领域是无价的，因为在这些领域，了解原子层面的结构至关重要。
金刚石基光学天线的发展标志着技术和基础物理学的一个重要里程碑。这些天线不仅在固态环境中提供了前所未有的场增强和鲁棒性，还为光谱学、传感和量子科学的新应用铺平了道路。随着研究人员继续探索和完善这项技术，我们可以期待看到一波创新，这些创新利用这些基于钻石的系统的独特特性，在各种科学和技术领域释放新的可能性。