类似于无线电天线如何从空气中获取广播信号并将能量集中成一首歌，单个原子可以收集光的能量并将其集中成一个强大的局部信号，研究人员可以用它来研究物质的基本组成部分。
强度增强越强，天线效果越好。但研究人员从未能够利用固体材料中某些“原子天线”潜在的巨大强度增强，仅仅因为它们是固体。
“大多数时候，当固体中有原子时，它们会与环境相互作用。芝加哥大学普利兹克分子工程学院助理教授Alex High说:“有很多混乱，它们会被声子震动，并面临其他干扰，从而降低信号的相干性。”
在《自然光子学》上发表的一篇新论文中，由高等实验室领导的一个多机构团队已经解决了这个问题。他们利用钻石中的锗空位中心，将光能提高了6个数量级，这是传统天线结构难以达到的。
这种百万倍的能量增强创造了论文所称的“示范性”光学天线，并提供了一种开辟全新研究领域的新工具。
“这不仅仅是技术上的突破。这也是基础物理学的一个突破，”PME博士候选人、论文的共同第一作者李子熙说。“虽然众所周知，激发的原子偶极子可以产生巨大强度的近场，但以前没有人在实验中证明过这一点。”
光学天线的核心特征是在共振激发时产生振荡的电子偶极子。
“光学天线基本上是与电磁场相互作用的结构，并以特定的共振吸收或发射光，就像电子在这些色中心的能级之间移动一样，”海伊说。
当电子在激发态和基态之间转换时，它会振荡，并集中相对巨大的能量，这使得固体中的原子光学偶极子在理论上是一种很好的天线。
使这种能力保持在理论上的是，原子是在固体中，受到所有的碰撞、电子干扰和一般噪音的影响，这些都是紧密排列结构的一部分。色心——钻石和其他具有有趣量子特性的材料中的小缺陷——为该团队提供了一个解决方案。
海伊说:“在过去的七八年里，我们观察到某些类型的色彩中心可以不受这些环境影响。”
西班牙巴塞罗那光子科学研究所的合著者Darrick Chang说，这开启了有趣的研究机会。
他说:“对我来说，色心最有趣的地方不只是增强了光场，还在于它发出的光本质上是量子力学的。”“这使得考虑‘量子光学天线’是否可以具有与经典光学天线不同的功能和工作机制变得有趣。”
但将这一理论转化为切实可行的天线需要数年时间，与全球研究人员合作，并得到芝加哥大学加利集团的理论指导。
“由Alex High发起的理论、计算和实验之间的合作不仅有助于理解和解释核心科学，而且还开辟了计算方面的新研究领域，”PME Liew Family教授Guilia Galli说。“合作非常富有成效。”
原子级别的成像是放大和带宽的结合——信号的强度和你可以研究的信号量。正因为如此，共同第一作者郭兴涵认为新技术是对现有技术的补充，而不是取代。
“我们提供了更高的放大，但我们的带宽更窄，”郭说，他最近在PME完成了博士学位，现在是耶鲁大学的博士后研究员。“如果你有一个非常有选择性的信号，带宽很窄，但需要大量放大，你可以来找我们。”
除了更强大的信号外，这项新技术还有其他好处。虽然现有的技术，如单分子拉曼光谱和FRET光谱，通过用光来增强信号，但这种技术只需要毫瓦的能量就可以激活。这意味着一个强烈的信号，没有过度的光产生的漂白、加热和背景荧光。
与传统的等离子体天线不同，锗空位中心在使用时也不会耗散能量。
Chang说:“色心的神奇之处在于它同时是点状的，并且避免了等离子体材料的损失，使它能够保持其极端的场增强。”
对海伊来说，令人兴奋的部分不是天线的新形式，而是他们将做出的潜在发现。
“令人兴奋的是，这是一个普遍的特征，”海伊说。“我们可以将这些颜色中心整合到大范围的系统中，然后我们可以将它们用作本地天线来发展新工艺，既可以构建新设备，又可以帮助我们了解宇宙是如何运作的。”
