原标题：新型纳米光学天线：可定向辐射光线！

导读 据德国维尔茨堡大学官网近日报道，该校物理学家们首次采用尺寸仅800纳米的光学天线，成功地将电信号转化为光子，并在特定方向上辐射它们。

背景

定向天线，将电信号转化为无线电波，并向着特定方向发射，从而提高性能并降低干扰。

一种常见的定向天线：八木宇田天线，该天线可用于接收超高频高清电视。（图片来源：维基百科）

这个原理不仅对无线电波技术来说很有用，对小型光源来说也很有意思。毕竟，几乎所有基于互联网的通信都利用了光通信。光的定向天线可用于以光速在不同处理器内核之间，几乎无损耗地交换数据。为了使天线能在可见光的极短波长下操作，这种定向天线必须缩小至纳米尺度。

创新

近日，德国维尔茨堡大学的物理学家们在一个开创性的出版物《自然通信（Nature Communications）》杂志中为这项技术奠定了基础，他们首次描述了如何采用一种由黄金制成、电驱动的“八木宇田天线”（Yagi-Uda antenna）生成定向红外光。该天线由伯特·赫希特（Bert Hecht）教授领导的纳米光学课题组开发。

（图片来源：维尔茨堡大学物理系）

技术

“八木宇田”这个名称来源于两名日本研究员八木秀次和宇田新太郞，他们于上世纪20年代发明了这个天线。

八木宇田甚高频电视天线草图（图片来源：维基百科） 那么，“八木宇田”光天线看上去会是什么样的？

纳米光学团队成员之一的勒内·库尔劳克（René Kullock）博士解释道：“基本上，它和它的老大哥无线电波天线的工作方式相同。”施加交流电压，引起金属内的电子振动，结果天线就会辐射出电磁波。

库尔劳克表示：“然而，对于八木宇田天线来说，电磁波并不是在所有方向上均匀产生，而是采用特殊元件即所谓的‘反射器和导向器’选择性叠加辐射的电磁波。这样就导致一个方向上的相长干涉和所有方向上的相消干涉。”因此，这样的天线作为接收器运作时，只能接收来自同一方向的光线。 将天线技术的原理应用到辐射光线的纳米天线，技术上颇具挑战性。

前些时候，维尔茨堡大学的物理学家们已经能够证明电驱动的光天线的工作原理。但是为了打造一个相对复杂的八木宇田天线，他们必须提出一些新主意。最后在一项先进的生产技术帮助下，他们取得了成功。伯特·赫希特解释道：“我们用镓离子轰击金，从而以很高的精准度，从高纯度的金晶体中，剪出具有全部反射器和导向器以及必要的连接线的天线形状。”

接下来，物理学家们在有源元件中放置了一个金纳米颗粒，使它接触到有源元件的一根线，同时与另外一根线保持仅一纳米的距离。库尔劳克解释道：“这个间隙非常狭窄，以至于当有电压施加时，电子可以通过一种称为‘量子隧穿’的过程通过它。”这种电荷移动在天线中产生了具有光学频率的振动，由于反射器和导向器的特殊排列，这种波动会沿着特定方向传播。

八木宇田天线和非弹性电子隧穿的概念示意图（图片来源：参考资料【1】）

价值

维尔茨堡大学的研究人员被他们新型天线非同寻常的特性所吸引。这种天线尽管非常小，却能在特定的方向上辐射光线。就像在其“较大的对应物”无线电波天线中一样，这种新型光学天线的光辐射方向精度由天线元件的数量决定。赫希特详细描述道：“这使我们可以构造出世界上迄今为止最小的电动光源，它能够在特定方向上辐射光线。”

未来

然而，新发明在准备好投入实际应用之前，仍然有许多工作需要完成。首先，物理学家们必须研究可接收光信号的对应物。其次，他们必须提升效率和稳定性。

关键字 通信、光源、天线

参考资料

【1】René Kullock, Maximilian Ochs, Philipp Grimm, Monika Emmerling, Bert Hecht. Electrically-driven Yagi-Uda antennas for light. Nature Communications, 2020; 11 (1) DOI: 10.1038/s41467-019-14011-6

【2】https://www.uni-wuerzburg.de/en/news-and-events/news/detail/news/nano-antennas-for-data-transfer/