“打破”物理定律：把光引向“禁区”

作者：Rain（清华大学，博士生）

一、光的“禁区”

在我们的日常生活中，我们利用镜子控制光波从一个地方传播到另一个地方。然而我们日常生活中的镜子是“不完美”的，镜子表面由金属镀层制成，会吸收相当一部分光。

科学家们经过多年的研究发现，纳米结构可以实现近乎完美的镜子。这些纳米结构可由周期性排列的空气孔组成，对应于光学中的名词——光子晶体。

光子晶体是介电常数以波长量级为尺度，呈周期性排列的光学结构。周期性结构由于布拉格干涉（名词解释>>>），会禁止一定频率范围的光传播到晶体内部，并以超高反射率将其近乎完美的反射。自然界中，蝴蝶亮丽的翅膀、飞蛾的眼睛和一些花朵花瓣的色彩，都是由于光子晶体的反射而产生。布拉格干涉导致入射光呈指数衰减，光只能穿透到光子晶体中较浅的深度，衰减的特征长度称为布拉格长度（如图1左侧光束所示）。该命名为纪念威廉 H. 和威廉 L. 布拉格父子，他们提出的X射线晶体结构分析法共同获得了1915年诺贝尔物理学奖。

在以不同长度为周期的特定的光子晶体中，禁止光在任何方向传播的频率范围相应地不同。这个禁止光在任何方向传播的频率范围，称为光子禁带。

1987年，美国科学家Eli Yablonovitch和Sajeev John预测了光子禁带的产生，并被迅速地应用到集成光源和激光器、高效太阳能电池、隐形斗篷、捕获极小体积的光以及用光信息处理等应用中。

而这些应用都是静态的，即光子晶体和光传输的路径都是固定的，一旦制作完成后无法改变。如果光在光子晶体中的传播路径可以控制，将会催生全新的应用场景，但这是否可行呢？

二、光的重塑

近日，来自荷兰特文特大学的研究团队通过操纵光波的形状，将光波引向光子晶体的“禁区”，传输距离远超布拉格长度。该团队通过光波的波前重塑，使光选择性地耦合到特定通道中，从而传播到晶体中更远的地方。更重要的是，通过对波前进行正确编程，利用光波间的干涉，可以使它们的强度集中在晶体深处的任意位置（如图1右侧光束所示）。

该成果以 Spatially Shaping Waves to Penetrate Deep inside a Forbidden Gap 为题发表在 Physical Review Letters。

在光子晶体的制作过程中，难免会因工艺误差产生纳米级的无序结构。这些无序结构会产生穿透光子晶体深处的通道，使光波偏离入射光波的轨迹。这些通道通常对于光子晶体的应用是不利的，因为它们使一小部分光波“失控”并随机散射到晶体中。而本文中学者们正是利用这些随机散射的通道，取利抑害。

学者利用深度为6 μm的二维硅光子晶体空气孔结构进行了实验验证。首先，验证了未经过调控的平面波，有95%的入射光被反射；随后，利用空间光调制器调控了入射光的波前，通过编程，实现了将光波引导到光子晶体原本禁止的带隙中，传播距离可达布拉格长度的8倍。将光波聚焦产生一个亮斑，与未调控的光波相比，该亮斑的强度高达100倍。 

三、前景展望

利用制造光子晶体时自然产生的通道，可以在许多光电子应用中找到用途。例如，高效微型光源与片上激光器、鲁棒的量子比特、3D光子集成电路等。通过严格控制光子晶体的发射特性，使其在量子计算的非线性处理器和光存储器等先进应用中具有竞争力。

这一现象的本质是由于波的干涉，推而广之，同样的现象也可以在电子波、磁自旋波以及声波中产生。接下来，在3D光子晶体中观测到固体物理中的安德逊局域态（名词解释>>>），即观测到异常光在晶体内空腔晶格中的跳变，将可重构光传输和空腔的结合，并可应用在量子计算的非线性量子操控中，令人期待！

论文信息：

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.

论文地址：

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

论文传送门在此，请进> 

编辑 | 赵阳