簡介
納米級材料在業界享有盛名、年發行量達600萬份以上的光電雜誌Photonics Spectra和美國光學協會（SPIE）的新聞部，日前以專文專欄的方式對中國復旦大學表面物理實驗室和美國杜克大學光學研究中心聯合進行的一項重點研究成果進行了詳細報導。這項受中國國家自然科學基金和美國國家科學基金資助的項目歷時三年，是國際上首次在理論模擬的基礎上，研究出的一種新型可行的光碟機動納米器械和光力納米操作平台，它在系統的穩定性和可控性方面有著其他系統無可替代的優勢。他們設計了這樣一種新光源，它結合集成光子器件，可以像納米機器一樣操縱、挑選和選擇複雜介質納米粒子。
背景
多年以來，科學家一直在試圖利用恆星發出的微弱的光來驅動納米機器，以達到最終給未來的星際旅行提供必要的能量的目的，並提出過很多方案，但是此前缺乏一種高度局域化的光源使得操縱半導體器件有更高的精度和準度，並且能夠滿足操作中的各種不同的外界條件。
成果
完成這項工作的是美國杜克大學博士生簡宇川、哈爾濱工業大學深圳研究生院副教授肖君軍和復旦大學物理系教授黃吉平，他們設計出了世界上第一台強大的運行在納米量級的高性能光作業系統。在這個新設備里，強大的近場光強由被半導體光子晶體板所限制住的納米微腔產生。這種強烈的局域化力場力量被證明可以用來操作、挑選和選擇其附近的複雜介質納米棒。
今天的光學鑷子利用傳統雷射束本身的高梯度性質來捕獲細胞。但是操作納米級的物體要求更強的囚禁光強，這常常超出了正常的衍射極限。黃吉平及其合作者轉向光子晶體結構，並構造了納米腔。作為理想的下一代近場光學鑷子，它的體積小巧而且製造工藝成熟。
文章的第一作者簡宇川在美國杜克大學接受的採訪中提到，這種設備可以很容易地操作細小的納米結構，可以用來作為生物感測器以及細胞、DNA的提取，並且可以用在分子篩上面。他同時介紹說，實驗將一隻半導體介質的納米棒放在高品質因子的光子晶體空腔上。在空腔附近，光偶極子的力場與納米介質發生互動作用。同時，納米介質會在光子晶體空腔中產生微小擾動，從而聯合影響該系統的行為和穩定。施加在納米棒上的光學力是否將其推或拉至平衡位置，歸功於不斷演變的吸引或者排斥的相互作用。
簡宇川強調說，這種光學動力和光源是通過腔中的自發輻射雷射產生的，因此輸出和輸入均可靈活地進行調節，並且它可以在當前先進的納米技術條件下比較容易地製備出來。光源的調節性來源於晶體腔中的自發輻射。與傳統的光學鑷子不同，這種類型的近場光學捕獲效應工作於通常的衍射極限以下。它具有強烈的電磁場控制的優勢，從而可以構建非常小的雷射器。在目前半導體製造工藝下，這是在共振腔中獲得超高品質因子的最好方法。
用途
肖君軍多年從事納米光學研究，並與海內外多個實驗室建立了廣泛的聯繫。肖君軍告訴記者，此項工作的具體目的，是要闡明一種全光耦合系統的運作機制，它的威力主要體現在可以用來實現集成光學機械系統。他同時說明，該設備可以套用在目前的半導體納米器件製造工藝上面。在此計算和實驗的基礎上，新的器件可以擴大人們在迅速發展的納米光學機械系統領域的認識。器件產生的光力的變化和極性的改變在光阱和光操縱兩個方面都很有意義，同時有助於系統的控制和局域的能量傳遞。它提供了一個建設全光可調的表面平台，對於生物感測與細胞、DNA提取，分子篩選和樣品預富集等方面將有著特殊的用處。
在計算中，幾位科學家使用了大型有限差分時域的模擬手段。他們通過幾何場和紋理圖像技術來可視化地表達和解釋三維空間下的能量流動和能量耦合效應。這種技術可以非常有效地幫助人們直觀地理解器件的工作機制。而在以往光子器件的研究中，這種方法還很少被套用過。在此基礎上，許多精細微妙的物理機械機制和系統的奇異行為可以令人信服地被表現出來。比如科學家們發現，這種系統是一個聰明的自適應光學器械，它對於幾何結構的敏感光學回響展示了這種新的空腔結構如何在一個複雜的納米電機系統中去適應環境。
前景
科學家們認為，這也是在國際上首次提出了利用顯著局域化的納米空腔結構作為一般光源來綜合集成光機械系統。其展示出來的豐富動力學機制使其可以實現近場的光學鑷子。光子晶體板構築的空腔結構提供了一種非常易於集成化的、在納米尺度容易實現的光學鑷子模式，它在半導體設計和製造上擁有大量的優勢。因此它將有希望作為下一代近場光學鑷子的候選方案。
復旦大學和杜克大學的研究專家們認識到，目前仍有許多具體工作要做，主要目的是彌合在目前的基礎研究和未來的工業套用之間的差距。“下一步計畫是考察一系列光子晶體材料陣列，看是否可以用於並行和大規模的納米器械操縱。”同時研究和學習如何操控各種不同的納米材料，通過增加穩逝場強度的方法來提高能量耦合效率，使其在未來的納米馬達上能達到更高的能量品質。
