《電子技術(shù)應(yīng)用》
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零折射率超材料讓光速在芯片上“無(wú)限大”

2015-11-04

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  這種零折射率材料鍍金硅柱陣列嵌入聚合物基陣構(gòu)成,沒(méi)有相推進(jìn),會(huì)產(chǎn)生靜止相態(tài),其波長(zhǎng)可以看作是無(wú)限長(zhǎng)。

  最近,美國(guó)哈佛大學(xué)科學(xué)家首次設(shè)計(jì)出一種折射率為零、能整合在芯片上的超材料,光在其中的速度可以達(dá)到“無(wú)限大”。這一成果為探索零折射率物理學(xué)及其在集成光學(xué)中的應(yīng)用打開(kāi)了大門。

  聽(tīng)起來(lái)這好像違反了相對(duì)論法則,但實(shí)際上沒(méi)有。宇宙中沒(méi)什么東西能跑得比光快,但光還有另一種速度,即波峰運(yùn)動(dòng)的速度,稱為相速度,這種光速快慢取決于光通過(guò)的材料。比如光通過(guò)水面時(shí),相速度會(huì)因波長(zhǎng)被擠壓而變小,進(jìn)入水中后,相速度會(huì)再變大,因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)被拉伸。在介質(zhì)中,用折射率來(lái)表示光波波峰的速度減慢,折射率越高,對(duì)光波衍射的干擾越大,如水的折射率約是1.3。

  而在零折射率材料中,沒(méi)有波峰波谷的相推進(jìn),這意味著光表現(xiàn)得不再像一種運(yùn)動(dòng)波,而是一種靜止相,所有波峰波谷排成無(wú)限長(zhǎng)的波長(zhǎng)。波峰和波谷只作為一種時(shí)間上的變量,而不是空間。

  光很難被擠壓或操縱,而這種統(tǒng)一相態(tài)讓光變得可以拉伸、擠壓或扭曲而不會(huì)損失能量。把零折射率材料整合到芯片上,有望帶來(lái)光明的應(yīng)用前景,尤其是在量子計(jì)算領(lǐng)域。

  據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)報(bào)道,零折射率的超材料由鍍金硅柱陣列嵌在聚合物基體中構(gòu)成,能將硅波導(dǎo)與標(biāo)準(zhǔn)集成光子器件、芯片接口耦合在一起,讓人們能在不同芯片之間操縱光,擠壓、扭曲光線,甚至能把光束直徑縮小到納米級(jí)。該校約翰·波爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院(SEAS)物理學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)教授埃里克·馬祖爾說(shuō),這是控制光的一種很好的新方法。“這種芯片上超材料,為探索零折射率物理學(xué)及其在集成光學(xué)中的應(yīng)用打開(kāi)了大門。”

  論文第一作者、馬祖爾團(tuán)隊(duì)博士后研究員李揚(yáng)(音譯)說(shuō),在一般的硅波導(dǎo)中,光能約束軟弱而無(wú)效,是集成光子電路的一大障礙,這種零折射率材料為在不同波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中約束電磁能量提供了一個(gè)解決方案。


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