由香港大学物理系暂任系主任张爽教授与中国国家纳米科学技术中心戴青教授共同领导的合作研究团队，为纳米光子学领域的一个普遍问题——极小尺度的光研究提出了解决方案。他们的研究结果最近发布在著名的学术期刊《自然材料》上，提出了一种合成复频波方法来解决极化激元传播中的光损耗。这些发现提供了实用的解决方案，例如更高效的基于光的设备，以便在计算机芯片和数据存储设备等设备中更快、更紧凑地存储和处理数据，以及提高传感器、成像技术和安全系统的准确性。
表面等离子体极化激元和声子极化激元具有高效储能、局部场增强和高灵敏度等优点，得益于它们在小尺度上限制光的能力。然而，它们的实际应用受到欧姆损耗问题的阻碍，欧姆损耗在与天然材料相互作用时会导致能量耗散。
在过去的三十年中，这种局限性阻碍了纳米光子学在传感、超成像和纳米光子电路方面的进展。克服欧姆损耗将显著提高器件性能，从而推动传感技术、高分辨率成像和先进纳米光子电路的进步。
论文通讯作者张爽教授解释了研究重点，“为了解决关键应用中的光损耗挑战，我们提出了一个实用的解决方案。通过采用新型合成复波激励，我们可以实现虚拟增益并抵消极化激元系统的固有损耗。为了验证这种方法，我们将其应用于声子极化激元传播系统，并观察到极化激元传播的显着改进。
“我们通过使用声子极化激元材料进行实验来展示我们的方法3，在光频率范围内。正如预期的那样，我们获得了几乎无损的传播距离，与我们的理论预测一致，“该论文的第一作者、香港大学物理系博士后研究员关福新博士补充道。
克服光损耗的多频方法在这项研究中，该团队开发了一种新的多频方法来解决极化激元传播中的能量损失。他们使用一种称为“复频率波”的特殊类型的波来实现虚拟增益并补偿光学系统中的损耗。虽然规则波随着时间的推移保持恒定的振幅或强度，但复频率波同时表现出振荡和放大。该特性可以更全面地表示波浪行为，并能够补偿能量损失。
虽然频率通常被认为是一个实数，但它也可以有一个虚数。这个假想的部分告诉我们波浪如何随着时间的推移而变强或变弱。具有复频率的波，其特点是负虚部随时间衰减。然而，在光学中复杂频率波的激发下直接进行测量具有挑战性，因为它需要复杂的时间门控测量。为了克服这个问题，研究人员使用傅里叶变换数学工具将截断的复频波分解为具有单独频率的多个分量。
就像当你在做饭时，需要一种很难找到的特定成分，研究人员也使用了类似的想法。他们将复杂的频率波分解为更简单的组件，例如在食谱中使用替代成分。每个组件都代表了波浪的不同方面。这就像通过使用替代成分来获得所需的风味来制作美味佳肴。通过在不同频率下测量这些组件并结合数据，他们重建了由复频波照亮的系统的行为。这有助于他们理解并补偿能量损失。这种方法大大简化了CFW在不同应用中的实际实现，包括极化激元传播和超成像。通过以固定间隔在不同的实频率下进行光学测量，构建系统在复频率下的光学响应变得可行。这是通过在数学上组合在不同实际频率下获得的光学响应来实现的。
该论文的另一通讯作者、国家纳米科学与技术中心戴青教授表示，这项工作为解决纳米光子学中长期存在的光损耗问题提供了实用的解决方案。他强调了合成复频方法的重要性，指出它可以很容易地应用于各种其他应用，如分子传感和纳米光子集成电路。他进一步强调，“这种方法非常出色且普遍适用，因为它也可以用于解决其他波系统中的损耗问题，包括声波、弹性波和量子波，从而将成像质量提高到前所未有的水平。
