光沿直線傳播？浙大等學者把光“擰”成了Z字形
撰文 | 周煒
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光沿直線傳播，這是寫在我們常識里的一句話?？茖W家則有辦法讓光拐彎。浙江大學和新加坡南洋理工大學的科學家合作構(gòu)建出世界上首個三維光學拓撲絕緣體，在三維材料的“高速公路”上，一束光完美地跑出了“Z”字形。
相關(guān)論文“Realization of a three-dimensional photonic topological insulator（三維光學拓撲絕緣體的實現(xiàn)）”于倫敦時間2019年1月9日在《自然》雜志上線，由浙江大學陳紅勝教授課題組和新加坡南洋理工大學Baile Zhang教授、Yidong Chong教授課題組合作完成，其中浙江大學信息與電子工程學院楊怡豪博士（導(dǎo)師：陳紅勝）為論文第一作者，浙江大學為第一完成單位。
假如光像流水 光線繞彎會發(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、貓等動物在人眼前遁形?！拔覀兡茏尮庀窳魉粯?，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?！?陳紅勝說。“沒有散射光的情況下，人眼就識別不出物體了?！?nbsp; 圖：一條金魚在可見光波段的隱形裝置中進出 在科學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，“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?！叭绻茉O(shè)計出一種新型波導(dǎo)，讓這些散射因素‘隱形’，將大大提升傳輸效率，在未來會有重大的應(yīng)用前景?！标惣t勝說。 圖：表面波遇到缺陷、雜質(zhì)、或者波導(dǎo)拐彎等，會產(chǎn)生不可避免地散射 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?！币晃粡氖码姶挪ㄑ芯康目茖W家認為，這是實現(xiàn)未來光子芯片的一項巨大的挑戰(zhàn)。“ 我們希望‘急轉(zhuǎn)彎’的時候，也要不發(fā)生散射?！?/span> 電子的路，光子能跑嗎？ 楊怡豪說，凝聚態(tài)物理的熱門材料——拓撲絕緣體是這項研究的靈感之源。拓撲絕緣體是一種表面導(dǎo)電，內(nèi)部絕緣體的材料，它能讓電子繞著材料表面?zhèn)鬏敚诓牧蟽?nèi)部卻“禁止通行”。著名科學家張首晟在向公眾介紹拓撲絕緣體時，曾以“高速公路”作比喻：電子在芯片里的運動，就像一輛輛跑車在集市里行駛，不斷地碰撞，產(chǎn)生熱量。筆記本電腦放在腿上，時間一長就感覺很燙。正是電子碰撞產(chǎn)生的熱量，導(dǎo)致摩爾定律將失效。而拓撲絕緣體好似為電子建立了高速公路，讓電子在一條條“單向車道”上運行。 電子的“高速公路”，光子能跑嗎？2005年，普林斯頓大學的鄧肯·霍爾丹（2016年諾貝爾物理學獎得主）進行了一項思想實驗，試圖將拓撲絕緣體的理論拓展到光學體系。這一大膽的想法在科學界引起質(zhì)疑與爭議，論文直到2008年才發(fā)表在物理學頂級研究期刊PRL上，光學拓撲絕緣體的理論正式問世。2009年，MIT 物理系Marin Solja?i?教授研究組年輕的科學家Zhen Wang和Yidong Chong在Nature發(fā)文，第一次通過實驗實現(xiàn)了二維光學拓撲絕緣體，開啟了光學拓撲絕緣體的實驗研究。 當前，關(guān)于光學拓撲絕緣體的實驗研究仍局限在二維材料。2017年，紐約城市大學的Alexander B. Khanikaev教授團隊提出了無磁性材料的三維光學拓撲絕緣體的設(shè)計理論?！拔覀冴P(guān)注到了這項工作，但其參數(shù)十分苛刻。”楊怡豪說，在浙江大學和新加坡南洋理工大學，聯(lián)合課題組開始嘗試搭建新型的實驗體系。這是科學界的第一次嘗試用實驗實現(xiàn)光學三維拓撲絕緣體。 “電子芯片的發(fā)熱問題，拓撲絕緣體給出了很好的解決方案；光子芯片的信號耗散問題，科學家希望通過光學拓撲絕緣體給出方案。”楊怡豪說。 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，實驗遇到了前所未有的困難。一開始，他們甚至沒有現(xiàn)成的實驗設(shè)備去測量。 楊怡豪巧妙地提出設(shè)計了一種由多個開口諧振器構(gòu)成的單元結(jié)構(gòu)?！斑@是‘高速公路’的路基，也是實驗成功的關(guān)鍵?！标惣t勝說。最終，聯(lián)合課題組首次實現(xiàn)了三維光學拓撲絕緣體，它具有寬頻帶拓撲能隙。這種三維光學拓撲絕緣體，可以用印刷電路板技術(shù)制作完成。 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，能夠無障礙的繞過Z型拐角?！巴ㄟ^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)——這些正是三維光學拓撲絕緣體的關(guān)鍵特征?！睏钼勒f。 圖：表面波無障礙的繞過Z型拐角 “對表面波來說，這些拐角就像被隱形一樣，而能夠繞過拐角實現(xiàn)高效地傳播，這正是受益于三維光學拓撲絕緣體的拓撲保護特性?！标惣t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?！睏钼勒f。“這就能避免光發(fā)生散射導(dǎo)致信息耗散的問題?！?/span> “我們的工作首次賦予了三維光子帶隙以拓撲性質(zhì)，也就是說，將來可以像三維拓撲絕緣體控制電子一樣用三維拓撲光子晶體來控制光子。”合作研究者Baile Zhang教授說。雜志審稿人認為，實驗實現(xiàn)光學拓撲絕緣體非常重要，這將推動相關(guān)新興領(lǐng)域的發(fā)展。 陳紅勝認為，這項研究首次將三維拓撲絕緣體從費米子體系擴展到了玻色子體系，并可能應(yīng)用于三維拓撲光學集成電路、拓撲波導(dǎo)、光學延遲線、拓撲激光器以及其他表面電磁波的調(diào)控器件等。 這或許是人類向光子芯片、光子計算機邁出的一步。未來，在微小的光子芯片里，光攜帶著信息在縱橫交錯的高速公路上奔跑，為我們創(chuàng)造著更快更好的世界。 這項工作的共同作者還包括浙江大學博士生張莉、賀夢佳，新加坡南洋理工大學Ranjan Singh助理教授，以及博士生Haoran Xue、Zhaoju Yang，他們也都在此工作中作出了重要貢獻。 論文鏈接 https://www.nature.com/articles/s41586-018-0829-0
