實(shí)現(xiàn)三維光學(xué)拓?fù)浣^緣體，它具有寬頻帶拓?fù)淠芟丁?/h2>

發(fā)表于：2019-01-11  作者：qingqingyuan  關(guān)注度：650

光線繞彎好處多

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年制造出一種可見光波段的隱形器件，讓金魚、貓等動(dòng)物在人眼前遁形。“我們能讓光像流水一樣，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去，繼續(xù)按照原來的傳播方向前進(jìn)。”陳紅勝說。“沒有散射光的情況下，人眼就識(shí)別不出物體了。”

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，在未來會(huì)有重大的應(yīng)用前景。”陳紅勝說。

一條金魚在可見光波段的隱形裝置中進(jìn)出。

在很多器件中，電磁波必須繞著彎走。“在目前的技術(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。”一位從事電磁波研究的科學(xué)家認(rèn)為，這是實(shí)現(xiàn)未來光子芯片的一項(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。”

為光子“筑”路

從電子體系到光子體系，從二維到三維，研究對象存在許多本質(zhì)區(qū)別，實(shí)驗(yàn)遇到了前所未有的困難。一開始，課題組甚至沒有現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)設(shè)備去測量。

楊怡豪巧妙地提出設(shè)計(jì)了一種由多個(gè)開口諧振器構(gòu)成的單元結(jié)構(gòu)。“這是‘高速公路’的路基，也是實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵。”陳紅勝說。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。

課題組設(shè)計(jì)了一種由多個(gè)開口諧振器構(gòu)成的單元結(jié)構(gòu)。

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)，能夠無障礙繞過Z型拐角。“通過對材料內(nèi)部及表面電磁場分布成像，我們觀測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。

“對表面波來說，這些拐角就像被隱形一樣，而能夠繞過拐角實(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。這便是“光子高速公路”的神奇之處。“在這條高速公路上，無論道路多么曲折，光子都能一往無前。”楊怡豪說。“這就能避免光發(fā)生散射導(dǎo)致信息耗散的問題。”

“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，將來可以像三維拓?fù)浣^緣體控制電子一樣用三維拓?fù)涔庾泳w來控制光子。”合作研究者Baile Zhang教授說。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。

*出自于浙江大學(xué)陳紅勝教授課題組和新加坡南洋理工大學(xué)BaileZhang教授、Yidong Chong教授*

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