臺大學者應用「全光學開關＋光致熱效應」 發現奈米矽的超大光學非線性
▲朱士維研究團隊利用矽奈米結構的特殊電磁共振模態，率領跨國團隊發現「讓光有效控制光」的應用。（圖／臺灣大學提供）
臺灣大學物理學系暨分子影像中心副主任朱士維，利用矽奈米結構的特殊電磁共振模態，加上光致熱效應，將矽的光學非線性效應提升了三到四個數量級，領先全球在矽奈米結構上實現不需標記或染色的超解析技術，未來可望增加矽奈米結構的非線性效應與反應速度，繼續研發更高解析度的材料成像技術。
臺灣半導體及晶片設計居產業的世界領先地位，主要是以自然界含量最豐富元素之一的矽元素製作出先進積體奈米電路製程。臺大表示，在矽電子學領域中，關鍵是做出具有非線性，能夠用電控制電的元件，例如電晶體。同樣的，在矽光子學的領域中，用光控制光的元件，或說全光學控制元件，也是主要的關鍵。但是矽晶體本身的光學非線性效應實在太小，不足以作爲有效的全光學控制應用。
朱士維成立國際合作團隊，在科技部的「優秀年輕學者計劃」、國際合作計劃及學門計劃的長期支持下，結合臺大凝態中心博士張之威、日本大阪大學光子學中心教授Junichi Takahara髙原淳一，Katsumasa Fujita藤田克昌，中國暨南大學教授李向平團隊，與中研院物理所博士林宮玄、交通大學影像與生醫光電研究所教授陳國平共同合作。
▲研究團隊利用矽奈米結構的特殊電磁共振模態，率領跨國團隊發現「讓光有效控制光」的應用。圖左至右分別是交通大學影像與生醫光電研究所陳國平、臺大理學院院長吳俊傑、科技部自然司司長羅夢凡、朱士維教授以及中央研究院物理所林宮玄博士。（圖／臺灣大學提供）
臺大說明，朱士維研究團隊最近發表在自然科學頂尖期刊《自然通訊》Nature Communications的兩篇研究中，利用矽奈米結構的特殊電磁共振模態，例如可以組成完整可見光光譜的奈米方塊，或是奈米圓盤中不放光的Anapole，加上光致熱效應，將矽的光學非線性效應提升了三到四個數量級，而且反應時間僅須奈秒等級。
臺大進一步指出，此研究能夠對個別矽奈米粒子的散射光做將近100%的調製，實現GHz超快奈米全光學開關。並且創新地應用這樣的非線性，做出精度高達40奈米的遠場光學超解析顯微影像。不僅比起傳統的光學繞射極限高出一個數量級，更於世界上領先能在矽奈米結構上實現不需標記或染色的超解析技術。
臺大說明，這些研究成果提供奈米矽光學領域嶄新的研究思路及應用潛力，能夠拓展矽光子領域尖端應用，成爲推動產業發展及創造科研價值發展的關鍵技術。目前科技部於新一期計劃持續支持研究團隊發展最新的矽晶體奈米光學技術。接下來希望進一步增加矽奈米結構的非線性效應與反應速度，也將繼續研發更高解析度的材料成像技術。