由香港大學物理系臨時系主任張爽教授和中國國家奈米科學與技術中心的戴清教授共同領導的研究小組提出了奈米光子學領域一個常見問題的解決方案–在極小尺度上研究光。他們的研究成果最近發表在著名學術期刊《自然-材料》上，提出了一種合成複頻波（CFW）方法來解決偏振子傳播中的光損耗問題。

這些研究成果提供了實用的解決方案，例如在電腦晶片和資料儲存設備等設備中使用更高效的光基設備，以實現更快、更緊湊的資料儲存和處理，並提高感測器、成像技術和安全系統的精度。

表面等離子體極化子和聲子極化子具有高效儲能、局部場增強和高靈敏度等優點，這得益於它們在小尺度上限制光的能力。然而，它們的實際應用卻受到歐姆損耗問題的阻礙，歐姆損耗會在與天然材料相互作用時導致能量耗散。

雙曲聲子極化子和橢圓聲子極化子在α-MoO3 薄膜上的傳播。(a) 在α-MoO3 薄膜上放置天線的原子力顯微鏡。(b) 在不同實際頻率下測量雙曲極化子的實際頻率。(c) 複頻測量提供了超長距離傳播行為。(d) 兩個不同間距金天線的原子力顯微鏡。(e) 實際頻率f=990cm-1 時的振幅和實部測量值。(f) 複頻f=(990-2i)cm-1 時的振幅和實部測量值。(圖片改編自《自然-材料》，2024 年）。資料來源：香港大學

過去三十年來，這項限制阻礙了用於感測、超成像和奈米光子電路的奈米光子學的發展。克服歐姆損耗將大大提高裝置性能，從而推動感測技術、高解析度成像和先進奈米光子電路的發展。

論文通訊作者張爽教授解釋了研究重點：”為了解決關鍵應用中的光損耗難題，我們提出了一個實用的解決方案。透過採用新穎的合成複波激勵，我們可以實現虛擬增益，抵消極化子系統的內在損耗。為了驗證這種方法，我們將其應用於聲子極化子傳播系統，並觀察到極化子傳播的顯著改善。”

“我們使用聲子極化子材料（如氫化硼和氧化鉬）在光學頻率範圍內進行實驗，證明了這種方法。正如預期的那樣，我們獲得了幾乎無損的傳播距離，這與理論預測一致，”論文第一作者、香港大學物理系博士後關復新博士補充道。

克服光損耗的多頻方法

在這項研究中，研究小組開發了一種新穎的多頻方法來解決偏振子傳播中的能量損耗問題。他們使用一種被稱為”複頻波”的特殊類型波來實現虛擬增益並補償光學系統中的損耗。普通波在一段時間內保持恆定的振幅或強度，而複頻波則同時表現出振盪和放大。這種特性可以更全面地表現波的行為，並能補償能量損失。

使用在光頻下工作的hBN 薄膜進行一維極化子傳播（從左到右）。(a) 實際頻率影像顯示了傳播方向上明顯的衰減場剖面。(b) 複頻測量提供了幾乎無衰減的傳播行為。(圖片改編自《自然-材料》，2024 年）資料來源：香港大學

雖然頻率通常被視為實數，但它也有虛部。這個虛部告訴我們，隨著時間的推移，波是如何變強或變弱的。具有負（正）虛部的複頻波會隨著時間的推移而衰減（放大）。然而，在光學中直接進行複頻波激勵下的測量具有挑戰性，因為它需要複雜的時序測量。為了克服這個難題，研究人員採用了傅立葉變換數學工具，將截斷的複頻波（CFW）分解為具有獨立頻率的多個成分。

就像您在烹飪時需要一種很難找到的特定食材一樣，研究人員也採取了類似的想法。他們將複雜的頻率波分解成更簡單的成分，就像在食譜中使用替代配料一樣。每個成分代表了頻率波的不同面向。這就像透過使用替代配料來製作一道美味佳餚，從而獲得所需的風味。透過測量不同頻率下的這些成分並將數據結合起來，他們重建了複頻波照射下的系統行為。這有助於他們理解和補償能量損失。這種方法大大簡化了CFW 在不同應用中的實際應用，包括極化子傳播和超成像。透過在固定間隔的不同實際頻率下進行光學測量，就可以建構出系統在複頻下的光學響應。這可以透過對不同實際頻率下獲得的光學響應進行數學組合來實現。

論文的另一位通訊作者、國家奈米科學與技術中心的戴清教授指出，這項工作為解決奈米光子學中存在已久的光損耗問題提供了切實可行的解決方案。他強調了合成複頻方法的重要意義，並指出該方法可輕鬆應用於分子感測和奈米光子積體電路等其他各種應用。他進一步強調：”這種方法非常了不起，而且普遍適用，因為它還可以用來解決其他波系統的損耗問題，包括聲波、彈性波和量子波，從而將成像質量提高到前所未有的水平。”

編譯來源：ScitechDaily