课题组近两年来在纳米尺度光-物质相互作用领域取得重要进展:引入多极矩自由度,有效模式体积(V)不再依赖于空间几何间隙,高阶多极矩主导的模场V被压缩若干数量级,从物理本源上解除了光学谐振腔的品质(Q)因子与V之间的相互制约关系,大大增强Purcell因子(Q/V)和局域场强(|E|Q/V)。其数理策略是将电动力学多极展开式中的低阶项消减,令高阶项即更高阶的多极矩(如四极矩、八极矩...)成为器件物理性能的主导机制。由连续谱中的束缚态以及Anapole态等物理新机制协同实现,同时在材料与工艺上进行配合。这一基础理论及技术的突破,为医学、生物、化学、环境、能源、信息、量子等诸多领域瓶颈问题的解决开辟新天地。
例如:1,在量子光学领域,器件核心性能的提升需要借助光学谐振腔。谐振腔领域自身面临一大挑战,Q因子与V之间相互牵制,顾此失彼。该教科书上的“铁律”使得量子光源的亮度与不可分辨性无法同时得以优化。V与Q相解耦的实现则冲破了困住该领域几十年的枷锁,从而室温工作、片上集成、多功能、高性能的固态量子光源成为可能。[Phys. Rev. Lett. 136, 066901 (2026)]
2,在表面增强拉曼散射(SERS)领域,其物理增强机制几十年来一直由电动力学展开项中的偶极矩增强机制主宰。这一机制通过金属间隙耦合增强,基于几何小间隙(V)带来大局域场(|E| ( 1/(V),其单分子检测对应于极窄间隙,只适用于探测小分子。根据上述更高层级理论,大几何间隙同样能够带来小V及大增强,从而超越了单分子测量被极窄间隙“热点”所约束的旧框架,为RNA、DNA、蛋白质等实用性大分子的高灵敏检测铺平了道路。 [Phys. Rev. Lett. 134, 136902 (2025)]
3,在光电探测领域,小型化与器件性能之间存在矛盾。二维材料利于研制片上集成光电器件,但高性能、宽响应和多功能等实用化需求难以得到满足。与微纳结构相集成可突破二维材料自身性能瓶颈,提升光电转换效率,拓宽光电响应范围,同时赋予新功能。针对实用价值大的近红外二区光电探测,其灵敏度达商用级,并兼具光学手性检测能力。[Nat. Commun. 17, 2907 (2026)]
