31岁武汉籍科学家发明探测红外光新方法，将光转换效率提高13个数量级！即将回国从事科...
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来自湖北武汉的青年科学家陈文，他今年 31 岁，最近 5 年发表了 1 篇 Science 一作论文、3 篇 Nature 子刊一作论文，如今在瑞士洛桑联邦理工学院做博后研究。
图｜陈文（来源：陈文）
他说，通过考研来到武汉大学读直博时，导师徐红星院士以及团队中的张顺平教授的引领，让其发生了脱胎换骨的变化，2 篇 Nature 子刊的论文也正是在此期间发表。
随后来到瑞士做博后，如今带着本次 Science 一作，陈文正在考虑回国寻找教职以获得更大的发展。
12 月 2 日，其最新论文以《分子光力纳米腔连续波频率上转换》（Continuous-wave frequency upconversion with a molecular optomechanical nanocavity）为题，发表在 Science 上 [1]。
图 | 相关论文（来源：Science）
研究中，他实验证明了一种探测红外光的新方法：通过将红外信号的频率通过分子纳米器件转变为可见光频率，再通过常规的探测器读出。
实验中，陈文设计并制作了一种红外-可见双共振的纳米天线，并将其与分子（频率转换媒介）相耦合，使得红外光与可见光的能量都被汇聚到只有一纳米左右的单分子层内。结果显示，单个纳米器件内的上转换效率相比于自由空间大约提高 13 个数量级，其探测极限可达亚微瓦级别（千万分之一瓦特）。
同时，这种转换过程是高保真的（相干过程）：红外待测光中包含相位在内的信息，都能实时地映射到新产生的可见光上。该器件可在常温工作，其响应速度（上升时间）为千亿分之一秒，比当下最先进的低温热探测器还要快百倍。
此外，由于它是纳米尺度的分子器件，在发展集成探测芯片方面有很大的潜力和优势。
图｜通过分子光力纳米腔器件实现频率上转换的原理示意图（来源：Science）
研究痛点：高灵敏中红外探测器如今依然缺位
学过初中物理就知道，光是一种电磁波，它由在空间中传播的振荡电场和磁场组成。每个波的频率都不同，这里的频率是指每秒振荡的次数，单位是赫兹 (Hz)。
人类肉眼可检测到 400 万亿赫兹和 750 万亿赫兹（THz）之间的频率，它们也叫可见光谱。比如，手机摄像头中的光传感器可检测低至 300THz 的频率，而通过光纤连接互联网的检测器，最低可对大约 200THz 的频率产生感应。
在较低频率下，光传输的能量不足以触发人类肉眼和其他传感器中的光感受器。
但是，在 100THz 以下的频率里，比如在中红外和远红外光谱中，有着丰富的可用信息。例如，表面温度为 20 °C 的物体会发出高达 10THz 的红外光，这通常需要热成像才能“看到”。
此外，在中红外区域中，化学物质和生物物质具有不同的吸收带，通常需要红外光谱以远程无损的方式来分析和识别它们。此外，在天文研究中，探测红外波段的探测也具有非常重要的应用。
然而在中红外波段，现有商业探测器都无法让人满意，使得多种相关前沿应用的发展受到限制。因为该波段的光子能量远低于可见光，而更接近热噪声的能量，所以通常的中红外探测器灵敏度较为受限。
我们现有的手机、家用相机以及实验用相机，通常都仅限于在可见光或者近红外波段使用。
图｜通过光谱测量与分析验证频率上转换的性能（来源：Science）
为解决上述问题，陈文通过一个非线性过程也就是频率上转换过程，把红外待测光与一束可见光的能量融合在一起，使待测红外光的信息被继承到新合成的可见光中，其信号再通过常规的可见光探测器即可进行探测。
陈文表示，本次研究是在已有的非线性光学方案上面进行的，既参量频率上转换，但是基于一个首次被验证的全新纳米体系。
频率上转换是一种和频过程，作为非线性光学过程的一种，在激光器问世以后不就已经被发现，类似的频率转换过程已得到广泛应用，比如基于光参量振荡过程的飞秒激光器等。
在以往的应用中，要实现高效率的非线性频率转换，入射光与出射光的传播需要满足相位匹配条件，这是由能量守恒与动量守恒所决定的，同时也是信号光在转换前后能保持信息不变的基础。
然而，这种基于相位匹配的过程，往往涉及到复杂的光路设计与高成本的材料制作。通常为了保证足够的转换效率，通常需要使用高功率的脉冲激光，而且作为媒介的晶体尺寸通常为厘米级别，且很难被进步缩小。
成果优势：常温工作且无相位匹配问题
而该研究的有两大优势：第一，由于最终是可见光探测，所以热噪声的级别和常规的探测器一样，因此明显优于常规的中红外热探测器，这使得这种分子纳米器件在常温即可发挥很好的性能。第二，由于利用了光学天线，且光与物质相互作用的尺度远小于光的衍射极限，无需额外的光路与材料要求即可直接实现频率转换过程，回避了过去应用中的相位匹配难题。
简单来说，频率上转换分为两步过程，首先，红外信号光被分子吸收转化为的振动能量，与此同时，引入另外一束可见光，使得该分子振动能与可见光合并，产生第三束新的可见光，其频率为红外光与可见入射光之和。在此过程中，包括红外光的带宽和相位在内的信息都会继承到新合成的可见光中。
相比于传统宏观晶体通过相位匹配来提高效率，在该研究中，高效的上转换过程是借助光学谐振腔的力量来实现的。该研究选用一种被称为分子光力纳米腔的体系，最后使得信号相对于自由空间被放大了 13 个数量级。
分子光力纳米腔是如何实现和增强这一过程的？我们可以简单举个秋千的例子作为近似的理解。在公园里面荡秋千，有两种情况可以让秋千动起来：
第一种情况，是使用手全程扶着秋千，荡的时候全程都在施加能量，这正是我们通常所说的共振过程。近似类比到文章中涉及的物理过程，就是在红外波段分子吸收红外光，而红外波段纳米天线则以共振放大的方式增强这一过程；
第二种情况，则是现实中人们更常见的作法，掌握好节奏，以秋千摆动频率若干倍的间隔去推秋千。这时，推的频率和秋千荡的频率可以差别很大，但是同样可以把能量传递给秋千，在物理上则类比于参量振荡过程。
同样地，类比到论文涉及的物理过程，就是分子发生的拉曼散射过程，而可见波段纳米天线则通过参量振荡放大来实现信号的进一步增强。
图｜器件的实物与原理概念图（来源：Science）
陈文总结称，该研究主要分三步。第一步，寻找一个合适的分子。通过仿真计算，从上百万个分子里选出合适的分子，该分子需要有同时可以触发红外吸收与拉曼散射的振动模式。
第二步是设计可见与红外双共振的光学纳米腔，即能够在约 9 微米与 0.7 微米的波段同时共振的天线结构。同时，要把单分子层放在腔中间，使得使得红外光与可见光的能量都被汇聚到这个只有一个纳米的单分子层内。
第三步，在制作好器件之后，通过设计专用的光学仪器与光路来测试与验证频率上转换过程：用红外连续光照射器件，同时使用常规的光谱仪与探测器观察出射拉曼光谱的变化。
而本次研究不仅从实验上证明了该方案的可行性，效果也很好，作为初步的原型机，在高响应速度高保真度的情况下，其探测灵敏度还能超过许多商用的探测器。
有望进一步发展为商用中红外探测器
陈文说：“我的工作虽然是基础研究，但是与真正的应用有非常直接的关系。”
其一是直接商用。现有主流探测器主要依托光热以及光热电两种原理，而这两种原理都离不开热。比如夜视仪，使用的是热成像，即通过探测红外光在物质上产生的热能来读出信号。
此前，在该过程中存在的问题是：只能通过热来间接感知信号（非相干过程），主要只保留光的强度信息；热的转换过程通常远慢于光转换，而且通常需要工作在低温下以维持足够的信噪比。而本次探测器，可将上述问题一举攻克。
其二，该探测器其实就是一种红外探测器。理论上，可达到单个光子的探测级别，这也是目前光子探测的极限。一旦实现，将填补中红外探测器方面的一个空白。此外，本此实验平台也可作为新型量子器件研究平台，例如实现新型的量子纠缠态操控，在量子计算方面具有潜在应用价值。
其三，该成果可用于整个科研体系。研究中的成果，可给科研人员提供很好的平台和思路。以前很多基础问题搞不明白，是因为没有合适的体系，而本次体系是连接红外光和可见光的一种通道，因此在该平台上可实现更多体系验证。
“一旦做出信号，就离发表论文不远了”
陈文说，自己刚到瑞士做博后时接到这一课题，最开始还有一位博士生和他一起做。但对方很快就毕业了，这时只剩下他自己做这个课题。
其表示：“我做了将近两年，大部分时间还是很煎熬的，经常怀疑自己，觉得自己根本无法做出来。即使有导师和同事的交流，但更多的是要独自面对和解决涉及多个领域的前沿问题，以及多重实验难点。”
该课题的特点在于，一旦做出来信号，就离发表论文不远了。但是，在做出信号之前不但探索很漫长而且并没有人知道是不是实际上真的能做出来。这涉及到多个领域交叉的内容，一开始他只熟悉其中一个领域，其他都要边学边做。
后来他突然做出来时，给导师发消息，对方的第一反应是不相信，甚至连他自己也不敢相信，因为信号结果比想象中的强出十倍不止。同时，当时他和导师也意识到结果的重大性，便很快着手完善数据并且第一时间投稿。
同时，陈文也想感谢本次论文的第三作者——武汉工程大学光电信息与能源工程学院、数理学院青年教师胡华天博士。
陈文和胡华天是师兄弟，两者此前的导师都是武汉大学徐红星教授。后者在本次研究中，给陈文提供了不少计算仿真方面的帮助，这成为课题能顺利坚持到最后的重要基础。
他认为之所以能发 Science，最重要的是课题本身的意义，毕竟它涉及到从基础研究到商业探测器多方面的应用。因此文章从投稿到接受的时间很短，2021 年 7 月投稿，10 月就被接收。在审稿中，所有审稿人都推荐发表，这也是他从事科研以来最顺利的一次投稿。
他分享称，最好的成果往往涉及到最困难的问题，这就需要在领域内有足够多的积累。当然，时机也很重要，即在解决重大问题时业界相关的技术和认知的条件是否已经具备，因此天时、地利、人和都要满足，同时运气也很重要。
不过他也表示，目前做的只是一个原型机。后续计划的第一步就是做参数的优化，向单个光子检测方向进行推进，期望能实现量子实验方面的应用。
另外，红外是一个很广阔的波段，因此可选择各种不同分子去扩展红外波段和相关性能，目标是利用可见与红外之间特殊的平台做一些基础研究，同时兼顾偏实用的方向。
-End-
支持：李传福
参考：
1、WenChen. et al.Science 374,1264-1267(2021)
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abk3106
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