研究焦點

本中心張允崇副研究員與他的博士班學生劉奇京與合作同伴台大工科及海洋之蕭惠心副教授成功的在鈣鈦礦材料所製作出的超穎介面上使用光激發產生螺旋雷射光。這個螺旋雷射光是根據超穎介面所產生的 Bound states in the continuum 這個目前奈米光學相當熱門的研究題目。這個報導也是第一個使用雙光子激發產生螺旋雷射光的一個報導。

進行這個研究，研究團隊需要先開發適合製作鈣鈦礦奈米結構的製程，才可以因此製作出所需的超穎介面，這是一個新的技術突破。我們善用鈣鈦礦材料特有的非線性特性，成功的觀察到雙光子激發產生螺旋雷射光。螺旋光雷射提供新的光學自由度調控機制，能應用到量子計算與量子通訊。同時低發射角度的特徵能應用於未來指向性光學元件例如光通訊、積體奈米元件等領域。

研究成果概述

我們成功使用改良過的電子束微影術製作出鈣鈦礦超穎介面，並使用光激發產生螺旋雷射光。這個螺旋雷射光的來源是根據超穎介面所產生的 Bound states in the continuum 這個目前奈米光學相當熱門的研究題目。在這個研究中我們首先發現可以使用雙光子激發這個鈣鈦礦超穎介面來產生螺旋雷射光，以及可以根據激發光的光點大小來調製雷射光的開關。這個結果應該可以應用在未來量子計算與量子通訊、以及光通訊、積體奈米元件等領域。

新的科學發現或技術突破

我們開發了適合製作鈣鈦礦奈米結構的製程，才可以因此製作出所需的超穎介面，這是一個新的技術突破。另外我們善用鈣鈦礦材料特有的非線性特性，成功的觀察到雙光子激發產生螺旋雷射光。另外我們也新發現根據激發光的光點大小來調製雷射光的開關。

研究緣起

這個研究的發想，其實只是因為奇京開發出一個可以使用電子束微影製作出鈣鈦礦奈米圓盤陣列。我們其實預計要做另一個實驗，不過奇京在使用電子束微影時在旁邊多做了幾個方形排列的奈米圓盤陣列，想學西北大學的 Prof. Teri Odom 的研究一般觀察鈣鈦礦奈米圓盤陣列的 lasing。後來 lasing 也觀察到了，想說這些結果好像沒有什麼特別，還到處問人說還能加入哪些東西才可以值得發表。一直到聽了清大（那時還在陽明交大）的陳國平教授介紹 Bound states in the continuum 的概念才想說我們這個 lasing 是不是也是 BIC lasing。奇京順著這個概念繼續研究下去才把整個 lasing 的機制搞清楚。

努力與過程

這個工作包括前期鈣鈦礦奈米結構的製程開發，觀察到光激發雷射光、一直到最後理論分析確認我們是 Bound states in the continuum 所產生的螺旋雷射光，前後應該超過兩年時間。

合作夥伴

我們實驗室的專業是奈米製程及鈣鈦礦材料製備，不過這個 Bound states in the continuum 是個全新的理論概念，花了我們不少時間從理論模擬上去了解這個現象。這中間我們有請現在在台大工科海洋系的蕭惠心老師在理論模擬上提供一些建議，因此蕭老師也是本篇論文的共同作者。

突破性的研究方法

我們的真空鈣鈦礦材料製程，是個相當特殊的製程，花了我們不少時間去調整參數。另外由於鈣鈦礦材料相當容易損壞，所以我們也需要改變一些電子束微影的製程。另外確認雷射光是否是來自 Bound states in the continuum 也有很嚴苛的流程，這些都需要相當特殊的研究技能。

遭遇到的困難

Bound states in the continuum 是現今奈米光學領域非常先進的理論概念，而我們是以製程為主的研究團隊，因此這個研究我們遇到最大的問題是沒有適當的理論學家可以在關鍵時刻給我們建議，一切都需要我們自己去研究。

研究或產業上的應用

螺旋光雷射提供新的光學自由度調控機制，能應用到量子計算與量子通訊。同時低發射角度的特徵能應用於未來指向性光學元件例如光通訊、積體奈米元件等領域。

最想感謝的人事物

這個研究主要的結果都是第一作者劉奇京他完成，包括所有的實驗製程以及理論模擬，都是都獨立完成，我最感謝的是他能夠獨立成長到目前可以完成世界級的研究成果。

未來方向

下一步的研究方向包括試著使用電激發光，或者可以控制發出不同的螺旋雷射光都是我們之後要開發的方向。

幕後的小故事

在研究一開始，奇京在量測光譜時發現了一個奇怪的現象，就是當你把激發的雷射光點聚焦到最小時，這時反而沒有量到lasing的訊號。要量測到 lasing 的訊號反而要把聚焦光點稍微放大才可以看到。這個現象基本上是違反一般的物理直覺，當下就叫奇京要確認量測系統有沒有問題，不過經廠商確認系統沒有什麼問題，就暫時放著不處理。

一直到後來討論到這種 BIC 的 lasing threshold 與陣列的尺寸有關時，才想到之前的這個不符合物理直覺的現象其實可以完美來解釋這過陣列尺寸效應。我們將這個效應命名為 Finite array size effect，是第一個發現可以透過陣列大小來調製這個 lasing 的報導。