据悉，新加坡国立大学(NUS)的研究人员报道了一种被称为超临界耦合的新概念，它能使光子上转换效率提高数倍。该研究小组表示，这一发现不仅挑战了现有范式，而且为控制光发射开辟了一个新方向。相关研究成果以“Directive giant upconversion by supercritical bound states in the continuum”为题发表在《Nature》上。
光子上转换是将低能光子转换成高能光子的过程，它是一项应用广泛的关键技术，从超分辨率成像到先进的光子设备。尽管取得了相当大的进展，但由于掺镧纳米粒子的辐照度和光学共振的临界耦合条件的固有限制，高效光子上转换的探索一直面临挑战。
研究团队提出的这一方法利用了连续域中束缚态(BIC)的物理学原理。束缚态是一种现象，它使光被困在开放结构中，理论上具有无限的寿命，超越了临界耦合的极限。通过操纵这些结构中暗模式和亮模式之间的相互作用，研究人员不仅增强了局部光场，还精确地控制了光的发射方向。
据研究人员称，超临界耦合的实验验证标志着一项重大飞跃，证明了上转换发光能力提高了八个数量级。
实验装置包括一个覆盖着上转换纳米粒子的光子晶体纳米板。这些纳米粒子可用作微尺度光源和激光器。BIC 的独特特性是光的色散可以忽略不计，光点的尺寸也是微米级的，利用这种特性，可以实现对发射光的精确聚焦和定向控制。研究小组表示，这为控制光的状态开辟了新的途径。
研究人员认为，这项工作不仅是一项基础性发现，而且代表了纳米光子学领域的范式转变。其影响不仅限于光子的上转换，还可能带来量子光子学以及基于耦合谐振器的系统的进步。
随着研究界努力研究这项工作的影响，未来的大门已经敞开，我们宇宙中最基本的元素之一--光，可以以无与伦比的精度和效率得到控制。
图 1：超临界耦合和定向上转换辐射的原理。
图 2：正向上转换辐射的实验表征。
图 3：平面内上转换辐射的实验表征。
图4：基于方向性和偏振的切换。
