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光學工程
利用氧化鋅納米晶體制造光學共振腔
      德國 University of Leipzig 的科學家利用氧化鋅 (zinc oxide) 納米晶體制造目前最小的可見光共振腔。利用其對波長的選擇性,此納米晶體可以用來增幅特定波長的光的強度。這項工作可以增進我們對納米尺度下光的行為的了解。 

      英國倫敦圣保羅大教堂里有一處橢圓形拱室是相當著名的觀光景點之一,分別站在橢圓兩個焦點上的兩位游客可以輕聲對話而不被其它人聽見,這類的拱室有個別致的稱呼:『耳語廊』(whispering gallery)。不只是聲波,光波也有類似的行為,這是所謂的『光學共振腔』。光學共振腔并不是非常新鮮的觀念,早在發展激光的同時科學家就知道透過特殊設計的共振腔,我們可以使進入內部的光不斷重復原來的行進路線,這一行進模式便稱為為光的『耳語廊模式』(wispering-gallery mode)。如果單程光徑的長度恰好是波長的整數倍,光的強度因為建設性干涉的緣故可以在行進過程中大幅增加。如果我們可以設計一個僅僅只有納米尺度大小的光學共振腔,那么就有機會實現所謂的納米激光。但由于現有的光學共振腔理論所應用的尺度遠大于納米,有理論學家因此對實現納米光學共振腔的可行性抱持著較保守的態度。 

      不過就在前不久,德國 Leipzig 大學的科學家在物理學評論通訊(Physical Review Letters)發表了只有數百個納米的可見光共振腔實驗報告。研究小組參考加州大學 Berkeley 分校化學系 P. Yang 所發展的 chemical vapor transport and condensation 系統,經由氣相-液相-固相機制來制造氧化鋅晶體。他們首先在系統高溫區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。皆下來將鋅與含有金的溶劑在低溫區反應形成液態鋅-金合金。當此液態合金過飽和同時,合金中的鋅再度與二氧化碳、一氧化碳中的氧結合形成截面是六角形的針狀氧化鋅納米晶體,晶體內部同時形成也是六角形的空腔,金在整個過程中扮演類似觸媒的角色。 

      研究人員利用電子束激發氧化鋅晶體使其發出可見光,頻譜分析的結果顯示出射光的成分里有一至三個不同波長的光其出射能量明顯大于其它波段的出射光。透過數值仿真,研究人員發現這些被增幅的光波長恰好是晶體六角形空腔邊長的整數倍。研究人員對此實驗結果感到驚訝,主要原因是理論上并不預期在與波長相同的尺度下觀察到耳語廊模式,但實驗結果的確說明了在納米尺度下此一現象的存在。這項研究對于理解光在微觀尺度下行為是一項具有啟發性的工作,例如如何設計納米光纖或者是納米激光等等。

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