1 背景簡介
單光子可以存儲、遠距離傳輸量子信息。單光子源已經在單分子、色心金剛石、有缺陷的二維材料、量子點等固態系統中實現，但是這些單光子源在自然狀態下都是向四面八方輻射光子的，而在實際使用中，這種情況不利於光子的收集利用。
等離子體納米天線的誕生對於調控光子輻射有很大的益處，諸如電磁場增強、輻射增強等。可以利用光在納米結構中發生共振，調控光子向遠場輻射的狀態。目前已有各種等離子天線被提出並應用到光場調控，如片狀、V型、八木天線等，但是這些等離子天線都存在較強的歐姆損耗，會大大降低光子的提取效率。考慮到金屬的吸收損耗，最近也很多科研工作者提出以電介質為主要的材料的納米天線，但是這些納米天線都很難控制光子的輻射方向，很難有效地利用光源。如果近場耦合與亞波長結構的條件滿足，光源可以獲得良好的方向性輻射。但是精確地控制光源和納米天線之間的相對位置也不是容易的事情。
2 設計方案及結果簡介
針對以上情況，近期發表在nanoletters 上的一篇文章報道了科研工作者設計了一種金屬-電介質複合材料的3D拋物線型納米天線。該天線可以很好地保證以量子點為單光子源的定向輻射（保證光沿著垂直於蓋玻片的方向輻射），而且也很好地解決了光源定位的問題，因為他們的設計是基於選擇好的量子點原位製造納米天線。
Figure 1 共聚焦顯微鏡下觀察量子點；納米天線的製造方案示意；納米天線AFM測試圖。
這個設計的思想來自於拋物面反射鏡，它可以控制焦點位置發出的光向平行於光軸的方向輻射。作者們想將這種宏觀的想法運用到微觀上去控制單光子源的定向輻射。該篇科技論文中的納米天線製作方法如下：
- 通過共聚焦顯微技術找到蓋玻片上的一個量子點（定位一個量子點）。
- 利用高斯光束（頂端等光強的輪廓為拋物線型【圖Fig.1中B紅色實線】）對感光劑進行曝光，通過調節離焦量獲得預期的拋物線型結構。
- 移去未曝光的感光劑，在已經獲得的結構上鍍上30-50納米的金膜進一步增加反射。
Figure 2 光源相對光軸存在一定偏移量時，點源的輻射方向。
文中也探討了該天線對不同偏振的點源會有不同的輻射方向。納米天線調控光源的輻射方向是很依賴於光源相對於納米天線的位置的。文中探討了當光源位於偏離焦平面前後位置會嚴重影響光源輻射的方向性；但是當光源位於焦平面上，但是相對於光軸存在一定的偏移量d時，該天線還是可以指導光源定向輻射，但是輻射方向會存在一定改變，通過調節該偏移量也可以調控光源的輻射方向。
Reference
[1]Morozov, S., Gaio, M., Maier, S. A., & Sapienza, R. (2018).Metal–Dielectric Parabolic Antenna for Directing Single Photons. Nano letters,18(5), 3060-3065.
閱讀更多 Nextphy 的文章
