如何实现纳米光源辐射方向的精准调控是微纳光学领域的重要难题，它不仅要求将光源与光学“天线”结构以纳米精度耦合，同时需要光源-天线间耦合强度、方向的精确操控。而基于平面加工工艺的传统固态光学天线结构与纳米光源对准困难，同时缺少有效的调控机制，难以满足上述要求。为此，伟德国际1946源于英国张伟华、鲁振达、陆延青教授合作，发展了基于液相复合磁性纳米材料的新型智能光学天线，实现了介质纳米天线与量子点纳米发光源之间的精确耦合与调控，成功将光源的发射角压缩至16度，并演示了辐射方向的调控。
图1.智能磁性光学天线工作原理
该天线由中心为超顺磁材料的透明电介质微球构成，可在外加磁场的引导下定向运动，并通过磁偶极耦合作用与预先制备的磁性纳米光源精确耦合，将辐射的角度从4π压缩至半宽为16度的光束中。这里，天线与光源间的相对位置可利用磁场的矢量性通过调节外加磁场的方向调整，从而实现光束方向的改变。理论分析表明，该方法的位置调控精度优于50纳米，并可通过优化进一步提升至10纳米内。
图2.光学天线位置与辐射方向的磁调控。(a) 天线-光源相对位置Δx由磁场方向θ决定。(b1-b3)不同天线位置下的荧光图像。(c)为b所对应的辐射角分布（X-Z平面）。(d1-d3) 分别对应b1-b3的后焦平面像（即角分布像）。 (e)Δx = 0, 0.3, 0.6μm时X-Z面内的模拟辐射角分布。(f1-f3) 为e图所相对应模拟二维角分布。(g) 光束方向与Δx呈线性关系。(h) 为f1-f3中相应的三维辐射图案。
该工作所使用的纳米材料与结构均由自下而上的液相合成与组装（印刷）技术制备而成，无需复杂、昂贵的纳米生长、刻蚀与图案化设备。其中，磁性纳米光源由团队所发展的纳米印刷/组装技术制备（Nat. Commun. 11,6002; Adv. Mater. 32(52):2005979），该技术可将量子点与磁性纳米颗粒按照配比精确的“打印”成所需纳米阵列，而磁性纳米天线则由化学方法批量合成，展示了胶体纳米颗粒体系作为软物质光学材料在低成本智能微纳光学器件领域中的广阔应用前景。
以上成果以“Smart magnetic optical antenna for automatic nano-alignment and photon beaming from pre-patterned single quantum dot nanospot”为题发表在Nano Letters上(https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c04981)。该工作由国家重点研发计划(No. 2021YFA1400803),基金委面上项目 (No. 22075128)和省前沿引领技术基础研究专项(BK20212004)资助。伟德国际1946源于英国2020级硕士生王璐萍、博士后研究员满再琴为论文的共同第一作者，张伟华、鲁振达与陆延青教授为论文共同通讯作者。
（王璐萍 供稿）
