【研究背景】

原子光學天線是未來光學與量子科技發展的重要趨勢。原子光學天線的作用在于顯著增強局部電磁場強度，從而提升光與物質相互作用的效率，這一效果在許多應用中至關重要，包括通信、傳感和成像等領域。近年來，固態中的色心，例如金剛石中的摻鍺空位（GeV），被證明具有優異的光學相干性和極高的場增強能力。通過利用這些原子光學天線，可以實現比傳統納米天線更為顯著的光場增強，達到百萬倍的強度提升。這種增強效應不僅能夠推動單分子光譜學和光誘導催化等應用的發展，還能在量子科學領域中開辟新方向。相比傳統的納米天線，原子光學天線的量子機械特性和較低的非輻射衰減率使其在極小尺度下表現出更強的場增強能力，因此在現代光學技術中得到了廣泛的關注和應用。

【技術難點】

傳統的光學天線一般使用金屬納米結構來增強局部電磁場，這使得大部分金屬納米天線產品仍存在諸如損耗高、線寬寬以及環境穩定性差等不足。近年來，隨著對光與物質相互作用需求的增加，原子級光學天線成為該領域的重要發展方向。原子級光學天線如摻鍺金剛石空位中心（GeV）具有極高的場增強能力，理論上能夠顯著降低功耗和成本，提高光學測量的精度和可靠性。

然而，原子級光學天線的發展面臨幾個技術難點。其中一個關鍵挑戰是如何在固體中保持原子級的光學相干性。GeV雖然在低溫下表現出優異的光學相干性和高的光場增強能力，但其實際應用中常受到環境誘導的非輻射過程的限制，如電荷波動、噪聲和聲子散射。這些非輻射過程導致的非輻射衰減率遠大于內在的輻射衰減率，從而嚴重限制了GeV的實際應用效果。

目前，學界和業界已經提出了一些方案來解決這些問題。例如，通過優化材料選擇和改進制備工藝來降低環境干擾，以及采用更為精確的測量技術來提升光場增強效果。這些方案的優勢在于可以顯著提升原子級光學天線的場增強能力和應用穩定性，但其缺點在于技術實現復雜且成本較高。

【研究內容】

為了填補這一知識空白，美國芝加哥大學Alexander A. High教授團隊在“Nature Photonics”期刊上發表了題為“Atomic optical antennas in solids”的最新論文。該教授課題組利用摻鍺的金剛石空位中心（GeV）作為原子天線，實現了光場的顯著增強，并展示了巨大的近場光強度提升。該團隊在實驗中觀察到摻鍺空位的近場光強度增強高達一百萬倍，并成功利用這些天線檢測和操控了附近的碳單空位（VC）。此外，他們還首次通過福斯特共振能量轉移（FRET）驅動了來自單個中性空位（GR1中心）的可檢測熒光。這一研究成果不僅揭示了原子天線在光譜學、傳感和量子科學中的潛力，還展示了其在探測和操控量子系統方面的獨特優勢。

【科學亮點】

（1）實驗首次實現了利用摻鍺金剛石空位中心（GeV）作為原子光學天線，以獲得極高的近場光強度增強。通過對GeV進行共振激發，作者觀察到其近場光強度增強高達百萬倍。這一結果展示了GeV作為一種原子級光學天線的潛力，相比于傳統的納米天線，GeV天線能夠提供更強的場增強效應，并且對共振頻率的擾動具有更高的靈敏度。

（2）實驗通過以下步驟驗證了GeV的天線效應和其在實際應用中的潛力：

?  電磁場增強分析：作者對共振激發下的GeV散射場進行了數值計算，發現其近場光強度隨著距離的減小呈現出顯著的增強（∝R−6）。計算結果顯示，在距離小于1納米時，GeV的場強度增強可達10^8倍，這表明GeV具有優異的近場增強能力。

?  VC電荷狀態操控：通過利用GeV天線的場增強效應，作者成功地操控了附近碳單空位（VC）的電荷狀態。實驗中，作者觀察到VC的電荷狀態在GeV ZPL中通過能量分裂和躍遷進行循環，并利用這種特性實現了對VC電荷狀態的精確控制。

?  FRET驅動熒光：作者還使用GeV天線和福斯特共振能量轉移（FRET）首次驅動了來自單個中性空位（GR1中心）的可檢測熒光。這一結果進一步驗證了GeV天線在探測和操控單個量子缺陷方面的應用潛力。

?  性能比較：通過比較遠場驅動和GeV的共振激發下的VC電荷循環，作者證明了GeV近場的強度增強顯著優于傳統納米天線。該增強效應與VC的斯塔克位移引起的躍遷分裂和VC與GeV之間的距離強烈相關，突顯了GeV在實際應用中的優勢。

【圖文解讀】

圖1: 鍺germanium，GeV天線。

圖2: 鍺GeV天線感測、調控和光學激發近端空位。

圖3:  零聲子線zero-phonon line，ZPL劈裂與泵浦閾值功率負相關。

圖4: 比較非共振激發，揭示了場增強。

圖5:相比于銀納米球，鍺GeV天線效應。

【研究啟迪】

本文的研究揭示了摻鍺金剛石空位中心（GeV）作為原子天線在光場增強方面的顯著潛力，開創了固態原子天線的新應用領域。傳統的納米天線雖然在局部場增強方面已取得進展，但由于環境誘導的非輻射過程限制了其性能，特別是在光譜學和化學等應用中。然而，GeV作為一個固態中的原子級量子發射體，具有極低的非輻射衰減率和出色的光學相干性，能夠實現比傳統納米天線更強的近場光學增強。這種增強使得GeV在單分子光譜學和光誘導催化等領域具有了前所未有的應用前景。

具體而言，GeV天線不僅能夠在納米尺度上實現極高的場強度增強，還能有效地用于探測和操控附近的碳單空位（VC），并通過福斯特共振能量轉移（FRET）驅動來自單個中性空位的可測量熒光。這些特性使GeV天線在量子科學、傳感器技術以及光譜學等領域具有了廣泛的應用潛力。未來的研究可以進一步探索GeV天線在其他科學領域的應用，例如量子計算、量子通信以及高靈敏度傳感器等。

文獻信息：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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