顯微鏡下的米氏光電子學

人類千年以前，就知道將金屬材料研磨後可以產生不同的顏色，並將其應用在教堂的美麗彩繪玻璃上。但背後的物理機制則要等到20世紀初期的Gustav Mie提出米氏散射理論後，才理解是因為金屬奈米化到與可見光波長大小相近時，會形成新的光學共振，加強特定波長的吸收/散射，而產生繽紛色彩。到了21世紀最近這10年間，科學家們發現不僅是金屬會有這個現象，將高折射率半導體 — 例如矽 — 奈米化之後，也會產生米氏共振，在可見光波段形成特別強的散射。一般是用暗視野顯微鏡來觀察，能夠看到個別奈米結構上五彩繽紛的顏色（如附圖A）。此項研究的特殊之處在於結合生物實驗中常用的共軛焦雷射掃描顯微鏡，來觀察金屬與半導體奈米顆粒，過去曾經發現雷射掃描能夠大幅提升其散射非線性以及光學觀察解析度（Phys. Rev. Lett. 112, 017402 （2014）; Nat. Comm. 11, 3027 （2020）; Nat. Comm. 11, 4101 （2020））。

在最近新發表的研究成果中（Nat. Comm. 14, 7213, （2023）），臺灣大學物理學系教授朱士維團隊與清華大學光電所教授陳國平、中國暨南大學李向平與日本大阪大學Junichi Takahara合作，發現在顯微鏡下聚焦光斑與奈米結構大小相近時，改變光斑與奈米結構的相對位置，會激發原本沒有的共振模態，稱之為「移位共振」（displacement resonance）。這結果是造成一個相當違反直覺的現象：本來光與奈米結構的交互作用，包括吸收與散射，應該是當聚焦光點對正奈米結構中央時會最強，越遠離中心會越弱。但是由於移位共振的原因，反而當光聚焦點不是對準奈米結構正中央時，而是距離中心大約100奈米處，竟然會出現散射極大值（如附圖B）。更有趣的是吸收也跟著被影響，因此，要最有效率的激發因吸收所造成的光熱非線性效應，必須把奈米結構與聚焦光斑的中心錯開。從實驗上證明其中一個應用場景是利用單一奈米顆粒進行全光學開關時，只要把光斑移開百奈米，就可以從正向開關變成負向，亦即透過空間移位改變全光學開關的符號（如附圖C，跟圖B相比原來亮的區域變暗，暗的區域變亮），這是以往從來沒有想到的可能性。

總結而言，傳統上米氏散射的研究主要探討散射強度如何受到「波長」與「結構」大小的影響，並且絕大部分的理論與實驗架構都基於平面波入射，或是將激發光聚焦在奈米結構的正中央。這篇研究的重要性在於開啟一個嶄新的空間維度，揭示當奈米結構與聚焦光斑的「移位」尺度相近時，會產生新的共振。除了在基礎物理概念上有所突破之外，未來也有望應用在非線性光學、量子計算、與超解析顯微術的跨領域研究中。

此研究已刊登於2023年11月Natural Communication，研究成果全文連結：https://www.nature.com/articles/s41467-023-43063-y