光沿直線傳播？浙大等學(xué)者把光“擰”成了Z字形
撰文 | 周煒
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光沿直線傳播，這是寫(xiě)在我們常識(shí)里的一句話?？茖W(xué)家則有辦法讓光拐彎。浙江大學(xué)和新加坡南洋理工大學(xué)的科學(xué)家合作構(gòu)建出世界上首個(gè)三維光學(xué)拓?fù)浣^緣體，在三維材料的“高速公路”上，一束光完美地跑出了“Z”字形。
相關(guān)論文“Realization of a three-dimensional photonic topological insulator（三維光學(xué)拓?fù)浣^緣體的實(shí)現(xiàn)）”于倫敦時(shí)間2019年1月9日在《自然》雜志上線，由浙江大學(xué)陳紅勝教授課題組和新加坡南洋理工大學(xué)Baile Zhang教授、Yidong Chong教授課題組合作完成，其中浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)院楊怡豪博士（導(dǎo)師：陳紅勝）為論文第一作者，浙江大學(xué)為第一完成單位。
假如光像流水 光線繞彎會(huì)發(fā)生許多有趣的現(xiàn)象，隱身衣就是其中一例。陳紅勝等曾在2013年制造出一種可見(jiàn)光波段的隱形器件，讓金魚(yú)、貓等動(dòng)物在人眼前遁形?！拔覀兡茏尮庀窳魉粯?，在物體表面不發(fā)生散射，而像溪水流經(jīng)石頭，順著石頭的形狀繞過(guò)去，繼續(xù)按照原來(lái)的傳播方向前進(jìn)?！?陳紅勝說(shuō)?！皼](méi)有散射光的情況下，人眼就識(shí)別不出物體了?！?nbsp; 圖：一條金魚(yú)在可見(jiàn)光波段的隱形裝置中進(jìn)出 在科學(xué)家希望隱形的名單中，材料的雜質(zhì)、缺陷占據(jù)著重要位置。電磁波在光波導(dǎo)、或者在介質(zhì)交界面?zhèn)鞑r(shí)，“途中”遇到的雜質(zhì)、缺陷，都能讓電磁波發(fā)生散射，導(dǎo)致傳輸效率下降。“如果能設(shè)計(jì)出一種新型波導(dǎo)，讓這些散射因素‘隱形’，將大大提升傳輸效率，在未來(lái)會(huì)有重大的應(yīng)用前景。”陳紅勝說(shuō)。 圖：表面波遇到缺陷、雜質(zhì)、或者波導(dǎo)拐彎等，會(huì)產(chǎn)生不可避免地散射 在很多器件中，電磁波必須繞著彎走?！霸谀壳暗募夹g(shù)體系中，一旦轉(zhuǎn)彎幅度大，電磁波就會(huì)發(fā)生散射，影響傳輸效率。轉(zhuǎn)彎幅度小，就不利于節(jié)省空間?！币晃粡氖码姶挪ㄑ芯康目茖W(xué)家認(rèn)為，這是實(shí)現(xiàn)未來(lái)光子芯片的一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。“ 我們希望‘急轉(zhuǎn)彎’的時(shí)候，也要不發(fā)生散射?！?/span> 電子的路，光子能跑嗎？ 楊怡豪說(shuō)，凝聚態(tài)物理的熱門(mén)材料——拓?fù)浣^緣體是這項(xiàng)研究的靈感之源。拓?fù)浣^緣體是一種表面導(dǎo)電，內(nèi)部絕緣體的材料，它能讓電子繞著材料表面?zhèn)鬏?，而在材料?nèi)部卻“禁止通行”。著名科學(xué)家張首晟在向公眾介紹拓?fù)浣^緣體時(shí)，曾以“高速公路”作比喻：電子在芯片里的運(yùn)動(dòng)，就像一輛輛跑車(chē)在集市里行駛，不斷地碰撞，產(chǎn)生熱量。筆記本電腦放在腿上，時(shí)間一長(zhǎng)就感覺(jué)很燙。正是電子碰撞產(chǎn)生的熱量，導(dǎo)致摩爾定律將失效。而拓?fù)浣^緣體好似為電子建立了高速公路，讓電子在一條條“單向車(chē)道”上運(yùn)行。 電子的“高速公路”，光子能跑嗎？2005年，普林斯頓大學(xué)的鄧肯·霍爾丹（2016年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主）進(jìn)行了一項(xiàng)思想實(shí)驗(yàn)，試圖將拓?fù)浣^緣體的理論拓展到光學(xué)體系。這一大膽的想法在科學(xué)界引起質(zhì)疑與爭(zhēng)議，論文直到2008年才發(fā)表在物理學(xué)頂級(jí)研究期刊PRL上，光學(xué)拓?fù)浣^緣體的理論正式問(wèn)世。2009年，MIT 物理系Marin Solja?i?教授研究組年輕的科學(xué)家Zhen Wang和Yidong Chong在Nature發(fā)文，第一次通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了二維光學(xué)拓?fù)浣^緣體，開(kāi)啟了光學(xué)拓?fù)浣^緣體的實(shí)驗(yàn)研究。 當(dāng)前，關(guān)于光學(xué)拓?fù)浣^緣體的實(shí)驗(yàn)研究仍局限在二維材料。2017年，紐約城市大學(xué)的Alexander B. Khanikaev教授團(tuán)隊(duì)提出了無(wú)磁性材料的三維光學(xué)拓?fù)浣^緣體的設(shè)計(jì)理論。“我們關(guān)注到了這項(xiàng)工作，但其參數(shù)十分苛刻?！睏钼勒f(shuō)，在浙江大學(xué)和新加坡南洋理工大學(xué)，聯(lián)合課題組開(kāi)始嘗試搭建新型的實(shí)驗(yàn)體系。這是科學(xué)界的第一次嘗試用實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)光學(xué)三維拓?fù)浣^緣體。 “電子芯片的發(fā)熱問(wèn)題，拓?fù)浣^緣體給出了很好的解決方案；光子芯片的信號(hào)耗散問(wèn)題，科學(xué)家希望通過(guò)光學(xué)拓?fù)浣^緣體給出方案。”楊怡豪說(shuō)。 為光子“筑”路 從電子體系到光子體系，從二維到三維，研究對(duì)象存在許多本質(zhì)區(qū)別，實(shí)驗(yàn)遇到了前所未有的困難。一開(kāi)始，他們甚至沒(méi)有現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)設(shè)備去測(cè)量。 楊怡豪巧妙地提出設(shè)計(jì)了一種由多個(gè)開(kāi)口諧振器構(gòu)成的單元結(jié)構(gòu)?！斑@是‘高速公路’的路基，也是實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵?！标惣t勝說(shuō)。最終，聯(lián)合課題組首次實(shí)現(xiàn)了三維光學(xué)拓?fù)浣^緣體，它具有寬頻帶拓?fù)淠芟?。這種三維光學(xué)拓?fù)浣^緣體，可以用印刷電路板技術(shù)制作完成。 三維世界光子的“高速公路”，是“Z”字形的。表面波在界面?zhèn)鞑r(shí)，能夠無(wú)障礙的繞過(guò)Z型拐角?！巴ㄟ^(guò)對(duì)材料內(nèi)部及表面電磁場(chǎng)分布成像，我們觀測(cè)到了該材料的三維能隙，以及具有二維狄拉克錐形式的表面態(tài)——這些正是三維光學(xué)拓?fù)浣^緣體的關(guān)鍵特征。”楊怡豪說(shuō)。 圖：表面波無(wú)障礙的繞過(guò)Z型拐角 “對(duì)表面波來(lái)說(shuō)，這些拐角就像被隱形一樣，而能夠繞過(guò)拐角實(shí)現(xiàn)高效地傳播，這正是受益于三維光學(xué)拓?fù)浣^緣體的拓?fù)浔Ｗo(hù)特性。”陳紅勝說(shuō)。這便是“光子高速公路”的神奇之處。“在這條高速公路上，無(wú)論道路多么曲折，光子都能一往無(wú)前?！睏钼勒f(shuō)?！斑@就能避免光發(fā)生散射導(dǎo)致信息耗散的問(wèn)題?！?/span> “我們的工作首次賦予了三維光子帶隙以拓?fù)湫再|(zhì)，也就是說(shuō)，將來(lái)可以像三維拓?fù)浣^緣體控制電子一樣用三維拓?fù)涔庾泳w來(lái)控制光子。”合作研究者Baile Zhang教授說(shuō)。雜志審稿人認(rèn)為，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)光學(xué)拓?fù)浣^緣體非常重要，這將推動(dòng)相關(guān)新興領(lǐng)域的發(fā)展。 陳紅勝認(rèn)為，這項(xiàng)研究首次將三維拓?fù)浣^緣體從費(fèi)米子體系擴(kuò)展到了玻色子體系，并可能應(yīng)用于三維拓?fù)涔鈱W(xué)集成電路、拓?fù)洳▽?dǎo)、光學(xué)延遲線、拓?fù)浼す馄饕约捌渌砻骐姶挪ǖ恼{(diào)控器件等。 這或許是人類(lèi)向光子芯片、光子計(jì)算機(jī)邁出的一步。未來(lái)，在微小的光子芯片里，光攜帶著信息在縱橫交錯(cuò)的高速公路上奔跑，為我們創(chuàng)造著更快更好的世界。 這項(xiàng)工作的共同作者還包括浙江大學(xué)博士生張莉、賀夢(mèng)佳，新加坡南洋理工大學(xué)Ranjan Singh助理教授，以及博士生Haoran Xue、Zhaoju Yang，他們也都在此工作中作出了重要貢獻(xiàn)。 論文鏈接 https://www.nature.com/articles/s41586-018-0829-0
