直到最近，物理学家们普遍认为，除非利用金属纳米粒子，否则不可能将光压缩到所谓的衍射极限以下，因为金属纳米粒子也吸收光。因此，似乎不可能在像硅这样的电介质材料中强烈地压缩光线，而这些材料对信息技术至关重要，并具有不吸收光线的显著优势。

有趣的是，早在2006年就有理論表明，衍射極限並不適用於電介質。然而，沒有人能夠在實際世界中證明這一點，因為它需要復雜的納米技術，還沒有人能夠創造所需的電介質納米結構。

丹麥技術大學（DTU）的一個研究小組創造了一個被稱為”電介質納米腔”的裝置，它成功地將光集中在比衍射極限小12倍的體積中。這一發現在光學研究中具有突破性意義，最近發表在《自然通訊》雜誌上。

世界上最小的光子的測量

a) 納米空腔的模型，其中計算出的電場強度用色標表示。b) 弓形結構中狹長的材料條周圍的放大圖，其中光子被擠壓在一起。白線顯示的是納米結構的輪廓，以供比較。資料來源：DTU

“我們將我們對真正的光子納米技術的知識和它目前的局限性編入一台計算機。然後我們要求計算機找到一種模式，將光子收集在一個前所未有的小區域內–在一個光學納米腔中，並且我們也能夠在實驗室裡建造它。”

光學納米腔是經過特殊設計的結構，可以保留光，使其不能正常傳播，而是來回反射，就像兩面鏡子相對一樣。鏡子越靠近對方，它們之間的光線就越強烈。在這個實驗中，研究人員創造了一個蝴蝶結結構，由於其獨特的形狀，它在擠壓光子方面特別有效。

衍射極限理論描述了在一個光學系統中，光不能被聚焦到小於一半波長的體積中–例如，這適用於顯微鏡的分辨率。然而，納米結構可以由比波長小得多的元素組成，這意味著衍射極限不再是一個基本限制。特別是弓形結構，可以將光壓縮到非常小的體積中，這受限於弓形結構的尺寸，因此也受限於納米製造的質量。當光被壓縮時，它變得更加強烈，加強了光和材料（如原子、分子和二維材料）之間的相互作用。

介質材料

介質材料是電絕緣的。玻璃、橡膠和塑料是介電材料的例子，它們與金屬形成對比，後者是導電的。介質材料的一個例子是矽，它經常被用於電子學，但也用於光子學。這種納米空腔是由矽製成的，它是最先進的現代技術所依據的電介質材料。納米空腔的材料是在DTU的潔淨室實驗室中開發的，而空腔所依據的圖案是用DTU開發的獨特的拓撲優化方法進行優化和設計的。最初是為了設計橋樑和飛機機翼而開發，現在也被用於納米光子結構。

“實現這一突破需要巨大的聯合努力。它之所以能夠實現，是因為我們成功地結合了DTU幾個研究小組的世界領先的研究，”領導這項研究工作的Søren Stobbe副教授說。

高能效技術的重要突破

這一發現可能對開發革命性的新技術具有決定性意義，這些技術可能會減少數據中心、計算機、電話等方面的耗能部件的數量。

計算機和數據中心的能源消耗持續增長，需要更多的可持續發展的芯片架構，使用更少的能源。這可以通過用光學元件取代電路來實現。研究人員的設想是利用互聯網所用的光和電子之間的相同分工，即光用於通信，電子用於數據處理。唯一的區別是，這兩種功能都必須內置於同一個芯片中，這就要求將光壓縮到與電子元件相同的大小。DTU的突破表明，這實際上是可能的。

Marcus Albrechtsen說：”毫無疑問，這是開發更節能技術的重要一步，例如，用於數據中心和未來計算機的光連接的納米激光器–但還有很長的路要走。”

研究人員現在將進一步工作，完善方法和材料，以找到最佳解決方案。

“現在我們已經有了理論和方法，隨著周圍技術的發展，我們將能夠製造出越來越強的光子。我相信，這只是物理學和光子納米技術以這些原理為中心的一長串重大發展中的第一個。”索倫·斯托布說，他最近從歐洲研究理事會獲得了著名的200萬歐元的鞏固者資助，用於開發基於新腔體的全新類型的光源。