利用氧化鋅納米晶體制造光學(xué)共振腔
德國(guó) University of Leipzig 的科學(xué)家利用氧化鋅 (zinc oxide) 納米晶體制造目前最小的可見(jiàn)光共振腔。利用其對(duì)波長(zhǎng)的選擇性，此納米晶體可以用來(lái)增幅特定波長(zhǎng)的光的強(qiáng)度。這項(xiàng)工作可以增進(jìn)我們對(duì)納米尺度下光的行為的了解。
英國(guó)倫敦圣保羅大教堂里有一處橢圓形拱室是相當(dāng)著名的觀光景點(diǎn)之一，分別站在橢圓兩個(gè)焦點(diǎn)上的兩位游客可以輕聲對(duì)話而不被其它人聽(tīng)見(jiàn)，這類的拱室有個(gè)別致的稱呼：『耳語(yǔ)廊』(whispering gallery)。不只是聲波，光波也有類似的行為，這是所謂的『光學(xué)共振腔』。光學(xué)共振腔并不是非常新鮮的觀念，早在發(fā)展激光的同時(shí)科學(xué)家就知道透過(guò)特殊設(shè)計(jì)的共振腔，我們可以使進(jìn)入內(nèi)部的光不斷重復(fù)原來(lái)的行進(jìn)路線，這一行進(jìn)模式便稱為為光的『耳語(yǔ)廊模式』(wispering-gallery mode)。如果單程光徑的長(zhǎng)度恰好是波長(zhǎng)的整數(shù)倍，光的強(qiáng)度因?yàn)榻ㄔO(shè)性干涉的緣故可以在行進(jìn)過(guò)程中大幅增加。如果我們可以設(shè)計(jì)一個(gè)僅僅只有納米尺度大小的光學(xué)共振腔，那么就有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)所謂的納米激光。但由于現(xiàn)有的光學(xué)共振腔理論所應(yīng)用的尺度遠(yuǎn)大于納米，有理論學(xué)家因此對(duì)實(shí)現(xiàn)納米光學(xué)共振腔的可行性抱持著較保守的態(tài)度。
不過(guò)就在前不久，德國(guó) Leipzig 大學(xué)的科學(xué)家在物理學(xué)評(píng)論通訊(Physical Review Letters)發(fā)表了只有數(shù)百個(gè)納米的可見(jiàn)光共振腔實(shí)驗(yàn)報(bào)告。研究小組參考加州大學(xué) Berkeley 分校化學(xué)系 P. Yang 所發(fā)展的 chemical vapor transport and condensation 系統(tǒng)，經(jīng)由氣相-液相-固相機(jī)制來(lái)制造氧化鋅晶體。他們首先在系統(tǒng)高溫區(qū)通入氧化鋅以及石墨粉末，將氧化鋅還原成鋅以及二氧化碳、一氧化碳。皆下來(lái)將鋅與含有金的溶劑在低溫區(qū)反應(yīng)形成液態(tài)鋅-金合金。當(dāng)此液態(tài)合金過(guò)飽和同時(shí)，合金中的鋅再度與二氧化碳、一氧化碳中的氧結(jié)合形成截面是六角形的針狀氧化鋅納米晶體，晶體內(nèi)部同時(shí)形成也是六角形的空腔，金在整個(gè)過(guò)程中扮演類似觸媒的角色。
研究人員利用電子束激發(fā)氧化鋅晶體使其發(fā)出可見(jiàn)光，頻譜分析的結(jié)果顯示出射光的成分里有一至三個(gè)不同波長(zhǎng)的光其出射能量明顯大于其它波段的出射光。透過(guò)數(shù)值仿真，研究人員發(fā)現(xiàn)這些被增幅的光波長(zhǎng)恰好是晶體六角形空腔邊長(zhǎng)的整數(shù)倍。研究人員對(duì)此實(shí)驗(yàn)結(jié)果感到驚訝，主要原因是理論上并不預(yù)期在與波長(zhǎng)相同的尺度下觀察到耳語(yǔ)廊模式，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果的確說(shuō)明了在納米尺度下此一現(xiàn)象的存在。這項(xiàng)研究對(duì)于理解光在微觀尺度下行為是一項(xiàng)具有啟發(fā)性的工作，例如如何設(shè)計(jì)納米光纖或者是納米激光等等。