零折射率超材料,开启光学芯片新时代

2013年,一种折射率为0的超材料的发现,引起了科学家们的兴趣,因为它具有独特的性质。该研究的第一作者、哈佛大学的 Eric Mazur说,当用光照射这种材料时,会产生奇妙的现象,比如说,直射入平板的光线只有当入射角刚好为90度时,才能穿过这种材料。Mazur说:
光线在材料内部建立起一种响应,材料内部的场与入射电磁场结合,也处于相同的相——与电影中的车轮有时看起来是静止的原理差不多,因为车轮转动的频率与电影播放的频率产生了相互作用。这种空间上的一致性,导致了无限波长和无限相速度的光。
[caption id="attachment_5334" align="aligncenter" width="620"]Illustration: Peter Allen/Harvard SEAS Illustration: Peter Allen/Harvard SEAS[/caption] 由于这种超材料内部的光的相位是相同的,看起来正弦场的波长被拉伸到无穷大了,相传播的速度极快。这两种性质使得人们可以用一种前所未有的方式,在光学芯片极小的空间内对光进行控制。它可以通过极其狭窄的通道或导波,或者绕过尖锐的角度而不损失能量。 最近,Mazur的哈佛团队与北京大学的研究者一起,在10月19日的《自然光学》(Nature Photonics)上在线发表了一种折射率为零的集成超材料。 Mazur说,在芯片上集成这种超材料需要结合其他纳米技术。他和他的合作者创造了一种超材料层,在聚合物基体上嵌入硅柱制成,并在两面覆上金箔,在硅基板上沉淀得到。 这种零折射率的超材料层为未来的光学芯片铺平了道路。研究者,如果将零折射率的超材料放入用镜子制成的波导内,不管波导结构有多长、形状如何、怎样挤压、扭曲或弯曲,都能得到高效的传输效果,这是目前用其他普通波导无法得到的。 还有一个应用是非线性光学的相位匹配。非线性光学研究的是物质中与光强成非线性关系的现象。光信息处理需要若干光束彼此分别发生相互作用。Mazur说,两束光束只能通过非线性过程才能发生相互作用,并且只能在出射与入射光子的动量相匹配时才会发生。而零折射率的材料让这种过程变得相当容易,因为零折射率光的动量矢量也为零,这解开了纳米尺度非线性光学处理的一些限制。 还有一个可能的应用是光量子计算机,因为所有零折射率材料中的光源都会发生相位振荡。例如量子发光体,比如铒离子,有了这种材料,可以扩大它们发生纠缠的距离。   选自IEEE,作者Alexander Hellemans,机器之心编译出品。编译:汪汪。
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