作者：Rain（清華大學(xué)，博士生）

一、光的“禁區(qū)”

在我們的日常生活中，我們利用鏡子控制光波從一個地方傳播到另一個地方。然而我們?nèi)粘Ｉ钪械溺R子是“不完美”的，鏡子表面由金屬鍍層制成，會吸收相當(dāng)一部分光。

科學(xué)家們經(jīng)過多年的研究發(fā)現(xiàn)，納米結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)近乎完美的鏡子。這些納米結(jié)構(gòu)可由周期性排列的空氣孔組成，對應(yīng)于光學(xué)中的名詞——光子晶體。

光子晶體是介電常數(shù)以波長量級為尺度，呈周期性排列的光學(xué)結(jié)構(gòu)。周期性結(jié)構(gòu)由于布拉格干涉（名詞解釋>>>），會禁止一定頻率范圍的光傳播到晶體內(nèi)部，并以超高反射率將其近乎完美的反射。自然界中，蝴蝶亮麗的翅膀、飛蛾的眼睛和一些花朵花瓣的色彩，都是由于光子晶體的反射而產(chǎn)生。布拉格干涉導(dǎo)致入射光呈指數(shù)衰減，光只能穿透到光子晶體中較淺的深度，衰減的特征長度稱為布拉格長度（如圖1左側(cè)光束所示）。該命名為紀(jì)念威廉 H. 和威廉 L. 布拉格父子，他們提出的X射線晶體結(jié)構(gòu)分析法共同獲得了1915年諾貝爾物理學(xué)獎。

在以不同長度為周期的特定的光子晶體中，禁止光在任何方向傳播的頻率范圍相應(yīng)地不同。這個禁止光在任何方向傳播的頻率范圍，稱為光子禁帶。

1987年，美國科學(xué)家Eli Yablonovitch和Sajeev John預(yù)測了光子禁帶的產(chǎn)生，并被迅速地應(yīng)用到集成光源和激光器、高效太陽能電池、隱形斗篷、捕獲極小體積的光以及用光信息處理等應(yīng)用中。

而這些應(yīng)用都是靜態(tài)的，即光子晶體和光傳輸?shù)穆窂蕉际枪潭ǖ?，一旦制作完成后無法改變。如果光在光子晶體中的傳播路徑可以控制，將會催生全新的應(yīng)用場景，但這是否可行呢？

二、光的重塑

近日，來自荷蘭特文特大學(xué)的研究團隊通過操縱光波的形狀，將光波引向光子晶體的“禁區(qū)”，傳輸距離遠超布拉格長度。該團隊通過光波的波前重塑，使光選擇性地耦合到特定通道中，從而傳播到晶體中更遠的地方。更重要的是，通過對波前進行正確編程，利用光波間的干涉，可以使它們的強度集中在晶體深處的任意位置（如圖1右側(cè)光束所示）。

 

該成果以 Spatially Shaping Waves to Penetrate Deep inside a Forbidden Gap 為題發(fā)表在 Physical Review Letters。

在光子晶體的制作過程中，難免會因工藝誤差產(chǎn)生納米級的無序結(jié)構(gòu)。這些無序結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生穿透光子晶體深處的通道，使光波偏離入射光波的軌跡。這些通道通常對于光子晶體的應(yīng)用是不利的，因為它們使一小部分光波“失控”并隨機散射到晶體中。而本文中學(xué)者們正是利用這些隨機散射的通道，取利抑害。

學(xué)者利用深度為6 μm的二維硅光子晶體空氣孔結(jié)構(gòu)進行了實驗驗證。首先，驗證了未經(jīng)過調(diào)控的平面波，有95%的入射光被反射；隨后，利用空間光調(diào)制器調(diào)控了入射光的波前，通過編程，實現(xiàn)了將光波引導(dǎo)到光子晶體原本禁止的帶隙中，傳播距離可達布拉格長度的8倍。將光波聚焦產(chǎn)生一個亮斑，與未調(diào)控的光波相比，該亮斑的強度高達100倍。 

 

三、前景展望

利用制造光子晶體時自然產(chǎn)生的通道，可以在許多光電子應(yīng)用中找到用途。例如，高效微型光源與片上激光器、魯棒的量子比特、3D光子集成電路等。通過嚴格控制光子晶體的發(fā)射特性，使其在量子計算的非線性處理器和光存儲器等先進應(yīng)用中具有競爭力。

這一現(xiàn)象的本質(zhì)是由于波的干涉，推而廣之，同樣的現(xiàn)象也可以在電子波、磁自旋波以及聲波中產(chǎn)生。接下來，在3D光子晶體中觀測到固體物理中的安德遜局域態(tài)（名詞解釋>>>），即觀測到異常光在晶體內(nèi)空腔晶格中的跳變，將可重構(gòu)光傳輸和空腔的結(jié)合，并可應(yīng)用在量子計算的非線性量子操控中，令人期待！

論文信息：

Uppu R, Adhikary M, Harteveld C A M, et al. Spatially shaping waves to penetrate deep inside a forbidden gap[J]. Physical Review Letters, 2021, 126(17): 177402.

論文地址：

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.177402

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編輯 | 趙陽