在传统微纳光学中，光的近场相互作用通常被限制在微米甚至纳米尺度，就像两个人必须站得很近才能低声交谈。然而，这一认知正被一项来自复旦大学和加州大学伯克利分校的前沿研究改变。

近日，复旦大学未来信息创新学院王丹青青年研究员与美国加州大学伯克利分校吴军桥教授团队合作，在Nature Communications杂志发表了一项最新研究成果。该研究利用具有特殊电磁学特性的近零介电常数材料，首次实现了数百微米的长程光学耦合。这一距离相比传统光学耦合长度提升了三个数量级，相当于让两个仅有头发丝千分之一厚的薄膜，隔着十倍于头发丝的宽度，完成高效的隔空对话。

从量子隧穿到光学耦合

       在量子力学中，电子能够以一定概率穿过势垒，这就是著名的量子隧穿效应，也是2025年诺贝尔物理学奖的主要成果。当两层超导体被纳米厚度的绝缘层隔开时，库珀电子对会通过共振隧穿产生独特的耦合现象，这种现象在超导量子计算等领域具有重要价值。

研究团队在光学系统中类比并扩展了这一效应。他们构建了光学意义上的双势垒结构：两层仅50nm厚的氧化铟锡薄膜作为势垒，中间的二氧化硅层则作为绝缘隔板。氧化铟锡这种功能材料具有独特的光学特性，在特定近红外波长下，其介电常数的实部会趋近于零，因而被归类为近零介电常数材料。

近零介电常数材料的双重特性

近零介电常数材料实现突破的关键在于两个核心特性：首先，材料具有卓越的光场局域和增强能力。当特定波长的光进入这种材料后，会被强烈束缚在纳米厚度的薄膜内部，形成能量密度极高的光学模式，其场强可比入射光增强数百倍。这种效应源于材料在特定波长下独特的电磁响应特性，使光场被极大地压缩在极小空间内。

其次，材料展现出优异的相位保持能力。与传统光学材料不同，光在这种材料中传播时几乎不产生相位延迟，能够保持波形的高度一致性。这一特性使得分布在空间不同位置的光学组分能够实现精确的相位匹配，为长程耦合提供了必要条件。

为了系统研究耦合规律，研究团队开发了倾斜磁控溅射技术，通过精确控制沉积角度，制备出了中间层厚度在145-727nm范围内连续变化的楔形样品。此设计使研究人员能够在同一块样品上系统研究不同间距下的光学响应规律，大大提高了实验效率和数据可靠性。

用二次谐波探测不可见的光场

如何精确探测被禁锢在纳米薄膜内部的光场及其相互作用，成为研究团队面临的关键挑战。团队创新性地采用二次谐波方法，通过用红外光照射样品，探测其发出的倍频可见光信号。这种非线性光学信号的强度与材料内部局域电磁场强度的四次方成正比，对纳米尺度下的微小场强变化具有极高的探测灵敏度。

实验结果显示，当改变两层薄膜的间距时，二次谐波信号表现出清晰的周期性振荡特征。当激光分别激发外层和内层薄膜时，信号强度呈现出典型的跷跷板效应——外层信号增强时内层信号相应减弱，反之亦然。这种精确的反关联振荡模式与理论预测很好吻合，为长程光学耦合的存在提供了有力证据。

突破技术瓶颈，开辟潜在路径

       在集成光子芯片方面，这项技术使光学元件在保持数百微米距离的情况下仍能实现高效耦合，为光子芯片的架构设计带来突新思路。在传感技术领域，基于这种对间距变化极度敏感的光学效应，可以开发出新一代超高精度光学传感器。在量子信息技术方面，这项研究为实现量子光源的长程耦合和大规模量子计算提供了潜在技术路径。

复旦大学青年研究员王丹青和加州大学伯克利分校吴军桥教授为论文的共同通讯作者。研究工作得到了上海市IV类高峰学科、美国加州大学伯克利分校米勒研究奖学金，以及美国能源部基础能源科学项目的支持。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-64504-w