顯微鏡下的米氏光電子學

人類千年以前，就知道將金屬材料研磨後可以產(chǎn)生不同的顏色，並將其應(yīng)用在教堂的美麗彩繪玻璃上。但背後的物理機制則要等到20世紀初期的Gustav Mie提出米氏散射理論後，才理解是因為金屬奈米化到與可見光波長大小相近時，會形成新的光學共振，加強特定波長的吸收/散射，而產(chǎn)生繽紛色彩。到了21世紀最近這10年間，科學家們發(fā)現(xiàn)不僅是金屬會有這個現(xiàn)象，將高折射率半導體 — 例如矽 — 奈米化之後，也會產(chǎn)生米氏共振，在可見光波段形成特別強的散射。一般是用暗視野顯微鏡來觀察，能夠看到個別奈米結(jié)構(gòu)上五彩繽紛的顏色（如附圖A）。此項研究的特殊之處在於結(jié)合生物實驗中常用的共軛焦雷射掃描顯微鏡，來觀察金屬與半導體奈米顆粒，過去曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)雷射掃描能夠大幅提升其散射非線性以及光學觀察解析度（Phys. Rev. Lett. 112, 017402 （2014）; Nat. Comm. 11, 3027 （2020）; Nat. Comm. 11, 4101 （2020））。

在最近新發(fā)表的研究成果中（Nat. Comm. 14, 7213, （2023）），臺灣大學物理學系教授朱士維團隊與清華大學光電所教授陳國平、中國暨南大學李向平與日本大阪大學Junichi Takahara合作，發(fā)現(xiàn)在顯微鏡下聚焦光斑與奈米結(jié)構(gòu)大小相近時，改變光斑與奈米結(jié)構(gòu)的相對位置，會激發(fā)原本沒有的共振模態(tài)，稱之為「移位共振」（displacement resonance）。這結(jié)果是造成一個相當違反直覺的現(xiàn)象：本來光與奈米結(jié)構(gòu)的交互作用，包括吸收與散射，應(yīng)該是當聚焦光點對正奈米結(jié)構(gòu)中央時會最強，越遠離中心會越弱。但是由於移位共振的原因，反而當光聚焦點不是對準奈米結(jié)構(gòu)正中央時，而是距離中心大約100奈米處，竟然會出現(xiàn)散射極大值（如附圖B）。更有趣的是吸收也跟著被影響，因此，要最有效率的激發(fā)因吸收所造成的光熱非線性效應(yīng)，必須把奈米結(jié)構(gòu)與聚焦光斑的中心錯開。從實驗上證明其中一個應(yīng)用場景是利用單一奈米顆粒進行全光學開關(guān)時，只要把光斑移開百奈米，就可以從正向開關(guān)變成負向，亦即透過空間移位改變?nèi)鈱W開關(guān)的符號（如附圖C，跟圖B相比原來亮的區(qū)域變暗，暗的區(qū)域變亮），這是以往從來沒有想到的可能性。

總結(jié)而言，傳統(tǒng)上米氏散射的研究主要探討散射強度如何受到「波長」與「結(jié)構(gòu)」大小的影響，並且絕大部分的理論與實驗架構(gòu)都基於平面波入射，或是將激發(fā)光聚焦在奈米結(jié)構(gòu)的正中央。這篇研究的重要性在於開啟一個嶄新的空間維度，揭示當奈米結(jié)構(gòu)與聚焦光斑的「移位」尺度相近時，會產(chǎn)生新的共振。除了在基礎(chǔ)物理概念上有所突破之外，未來也有望應(yīng)用在非線性光學、量子計算、與超解析顯微術(shù)的跨領(lǐng)域研究中。

此研究已刊登於2023年11月Natural Communication，研究成果全文連結(jié)：https://www.nature.com/articles/s41467-023-43063-y