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斯坦福大学Jennifer Dionne教授实验室的研究人员将把超薄硅级芯片构造成纳米级棒来捕获光，然后释放或重定向光。研究人员Mark Lawrence说：“简单来讲，我们的想法是把光困在一个小盒子里， 光束依然可以从不同的方向出进。这个方法可以按照需要减慢和引导光粒子的方向。”
这类 “高品质因数”或“高Q”谐振器的核心组件是一层极薄的硅薄膜，它可有效地捕获光，而且它在对近红外光的吸收率很低。这种光谱正是研究人员想要控制的。硅薄膜位于透明材料(这项研究中为蓝宝石)的晶圆上，研究人员将电子显微镜”笔”刻蚀成纳米天线图案。绘制的图案必须尽可能平滑，因为天线充当光墙来反射光。任何不完美的图案都会抑制它捕获光的能力。
图1艺术家呈现了高Q超表面分光器件。这些“高质量因子”或 “高Q”谐振器能够以新的方式来操作和使用光。Riley A. Suhar.供图。
图案设计在构建高Q纳米结构中起着关键作用。Dionne 说：“高 Q 谐振需要构建极其光滑的侧壁，来阻止光束泄漏。” 通常使用较大的微米级结构满足这一要求，但在纳米结构中却极具挑战性，因为纳米结构可以散射更多地光。
研究人员发现了一种图案设计，它性能优异并且可以采用现有的制备方法。光学传递函数、近场强度和共振光谱线型都可以合理的设计。这种设计为高效、自由空间可重构以及非线性纳米光子学奠定了基础。当光束转到某一特定方向时，纳米结构显示出大约2500的品质因数。研究人员说，这比同类设备的品质因数要高出两个数量级。
质量因素，或 Q 因子是用来描述谐振行为的量度。在这种情况下，谐振行为与光子寿命成比例。Dionne 说: “通过达到千量级的品质因数，我们已经处在一个最佳的状态，可以把它运用在尖端科技上。”
高Q谐振器带来了一种新的方法来操作和使用光，并且可以运用在很多领域上，比如量子计算、虚拟和增强现实、光基WiFi，甚至SARS-CoV-2等病毒的检测。目前Dionne的实验室正在利用这项技术来减速和引导光，从而实现对COVID-19抗原和抗体的检测。
Dionne 说: “我们的技术将会提供光学读出系统，将像医生和临床医师看到的那样。由于光与分子的强相互作用，我们有机会检测出单个病毒或浓度非常低的抗体。” 高Q纳米谐振器的设计可允许每个天线独立工作，同时检测不同类型的抗体。Dionne还致力于将这种设备应用于激光雷达和量子科学。她说: “几年前，我无法想象这项工作会有巨大的应用空间。"对我来说，这个项目强调了基础研究的重要性。我们不能一直预测基础科学将发展到什么方向，或者它能够带来什么，但它可以为未来的挑战提供关键的解决方案。”
这项研究发表在《Nature Nanotechnology》(www.doi.org/10.1038/s41565-020-0754-x).
