光子学革命：研究人员实现了前所未有的光子上转换效率

新加坡国立大学（NUS）的科学家们引入了一个突破性的概念，称为“超临界耦合”，它显著提高了光子上转换的效率。这一创新不仅颠覆了现有的模式，而且为发光控制开辟了新的方向。

光子上转换是将低能光子转换为高能光子的过程，是一项具有广泛应用的关键技术，从超分辨率成像到先进的光子器件。尽管当前取得了相当大的进展，但由于掺杂镧系纳米粒子的辐照度和光学共振的关键耦合条件的固有限制，对有效光子上转换的追求面临着挑战。

“超临界耦合”的概念在解决这些挑战方面起着关键作用。这种全新的方法是由新加坡国立大学化学系的刘小刚（音译）教授和他的合作者意大利国家研究委员会的吉安路易吉·齐托（Gianluigi Zito）博士领导的一个研究小组提出的，利用了“连续体中的束缚态”（BIC）的物理学。BIC是一种现象，可以使光被困在理论上具有无限寿命的开放结构中，超过临界耦合的限制。这些现象不同于光的通常行为。

新方法和实验验证

通过操纵这些结构中暗模式和亮模式之间的相互作用，类似于电磁感应透明的经典模拟，研究人员不仅增强了局部光场，而且精确控制了光发射的方向。

他们的研究结果发表在《自然》杂志上。

超临界耦合的实验验证标志着一个重大的飞跃，表明上转换发光增加了8个数量级。实验装置包括一个覆盖上转换纳米粒子的光子晶体纳米板。这些纳米粒子用作微尺度光源和激光器。BICs具有可忽略的光色散和微尺度光斑的独特特性，可以实现对发射光的精确聚焦和方向控制。这为控制光的状态开辟了新的途径。

刘教授说：“这项突破不仅是一项根本性的发现，而且代表了纳米光子学领域的范式转变，改变了我们对纳米尺度光操纵的理解。超临界耦合的含义超出了光子上转换，并为量子光子学和基于耦合谐振器的各种系统提供了潜在的进步。”

刘教授补充说：“随着研究界努力解决这项工作的影响，未来的大门为我们敞开，光是我们宇宙中最基本的元素之一，可以以无与伦比的精度和效率控制。”

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