探索一切可能：新型拓?fù)浼す馄骶哂腥我饪涨恍螤睢?/div>
美國(guó)研究人員研發(fā)出一種新型激光器，光線可以在任意形狀的空腔中反射且不發(fā)生散射。研究人員聲稱該種“拓?fù)浼す馄?rdquo;使用遠(yuǎn)距通信波長(zhǎng)，能夠促進(jìn)硅光子器件的小型化，并保證量子信息不被散射。拓?fù)浣^緣體的大部分體積無(wú)法通過電流，但可進(jìn)行邊緣態(tài)的單方向?qū)щ?，在沒有散射或漏電的情況下，能夠巧妙地繞過角落和表面的瑕疵。
在任意導(dǎo)體薄片上施加電場(chǎng)以及垂直于電場(chǎng)的磁場(chǎng)即可產(chǎn)生該種“受拓?fù)浔Ｗo(hù)”的電流。在拓?fù)浣^緣體的大部分，電子僅做簡(jiǎn)單的繞圈運(yùn)動(dòng)，但邊緣處的電子以半圓形的軌跡跳躍。由于光子沒有磁矩，因此不受磁場(chǎng)的直接影響，但可通過入射光激發(fā)的電子來(lái)實(shí)現(xiàn)類似的效果。磁場(chǎng)對(duì)這些電子產(chǎn)生不同的影響，反過來(lái)也會(huì)對(duì)光產(chǎn)生不同的影響。
美國(guó)加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校的應(yīng)用物理學(xué)家Boubacar解釋道：“光子與磁場(chǎng)的相互作用通過拓?fù)浣^緣體傳遞。”該理論在低頻下適用。
從理論到實(shí)踐
在硅光子學(xué)中，紅外波長(zhǎng)下材料對(duì)磁場(chǎng)的反應(yīng)非常微弱，因此許多研究人員認(rèn)為這將無(wú)法產(chǎn)生光學(xué)帶隙，即在該光譜區(qū)域內(nèi)材料的大部分體積內(nèi)無(wú)法傳輸電磁波。然而，Boubacar和他的學(xué)生們并沒有退縮，他們“做了一些計(jì)算來(lái)驗(yàn)證這些假設(shè)的正確性”。他們意識(shí)到，僅能在極短的波長(zhǎng)帶寬內(nèi)傳輸這一缺點(diǎn)可以用于需要窄帶寬的激光器中。
為了研究這一點(diǎn)，研究人員使用了兩種光子晶體——由磷化砷鎵銦制成的周期性光學(xué)納米結(jié)構(gòu)。研究人員將其中一個(gè)光子晶體保存在另一個(gè)光子晶體內(nèi)部，并將兩個(gè)晶體置于磁性礦物釔鐵石榴石的頂部。內(nèi)部晶體由一系列排列成正方形柵格狀的星形晶胞組成，而外部晶體為具有圓柱孔的三角形柵格狀。兩個(gè)晶體之間的接觸面則是激光器的空腔，激光在該空腔中被放大。
光學(xué)帶隙的形成
這兩種不同形狀的光子晶體產(chǎn)生了單向且穩(wěn)定的光子邊緣態(tài)，非常類似于拓?fù)浣^緣體中的電子邊緣態(tài)。其引發(fā)的磁場(chǎng)能產(chǎn)生僅為42μm的光學(xué)帶隙，并在大約1550nm處完全反射，該區(qū)域?yàn)楣饫w光學(xué)傳輸中最長(zhǎng)使用的波長(zhǎng)范圍。
Boubacar解釋道：“光無(wú)法穿透兩面拓?fù)洳煌溺R子，但可以在它們之間傳播，因?yàn)槠鋼碛胁煌耐負(fù)洹?rdquo;磷化砷鎵銦在被激光器激發(fā)時(shí)自發(fā)發(fā)光，這種光存在于拓?fù)洳煌牟牧现g的邊緣態(tài)內(nèi)。因此這種邊緣態(tài)能夠?qū)θ我庑螤畹募す馄骺涨恍纬缮⑸浔Ｗo(hù)。
光束的提取
為了提取光束，研究人員去除了外部光子晶體的一排空隙，以產(chǎn)生空腔中瞬逝場(chǎng)的波導(dǎo)耦合，即一種由空腔內(nèi)光波產(chǎn)生的非傳播式電磁干擾。研究人員發(fā)現(xiàn)從波導(dǎo)中形成的光強(qiáng)烈地傾向于某一個(gè)方向，這證明該種光在單向邊緣模式下產(chǎn)生。
研究人員表示，這種特性是非常有用的，因?yàn)榉瓷浠乜涨坏募す馐梢宰⑷朐肼?，甚至破壞大功率的腔體。預(yù)防該種情況的設(shè)備通常體積龐大且需消耗大量能源。Boubacar表示：“現(xiàn)在我們有一種設(shè)備能夠選擇光入射的方向，使其無(wú)法再返回源頭。”
任意形狀的空腔可以實(shí)現(xiàn)集成光電子元件更密集的封裝，從而提高元件的運(yùn)行速度。此外，無(wú)散射光子路徑的使用能夠在量子電路周圍傳輸更長(zhǎng)距離的量子態(tài)。研究人員目前正在研發(fā)電動(dòng)激光器，以避免使用大體積激光器。
舉世矚目的研究成果
美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的Andrea認(rèn)為這是首個(gè)非交互的拓?fù)涔庾硬牧?，由于光學(xué)中的磁偏是不可逆的。“這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果舉世矚目，我知道很多人都在為此努力。”然而Andrea對(duì)一些潛在應(yīng)用持懷疑態(tài)度，例如激光器的小型化，因?yàn)楣庾泳w需要的晶胞數(shù)量過多。
“通常，當(dāng)晶胞間的距離為半波長(zhǎng)時(shí)出現(xiàn)第一個(gè)帶隙，即750nm處。研究人員需要大量的晶胞來(lái)產(chǎn)生連接界面。有很多方法可以制造比這更小的激光器。”Andrea表示，研究中沒有提到的一個(gè)潛在且有趣的方法為創(chuàng)建具有角動(dòng)量的激光束。
美國(guó)研究人員研發(fā)出一種新型激光器，光線可以在任意形狀的空腔中反射且不發(fā)生散射。研究人員聲稱該種“拓?fù)浼す馄?rdquo;使用遠(yuǎn)距通信波長(zhǎng)，能夠促進(jìn)硅光子器件的小型化，并保證量子信息不被散射。拓?fù)浣^緣體的大部分體積無(wú)法通過電流，但可進(jìn)行邊緣態(tài)的單方向?qū)щ?，在沒有散射或漏電的情況下，能夠巧妙地繞過角落和表面的瑕疵。
在任意導(dǎo)體薄片上施加電場(chǎng)以及垂直于電場(chǎng)的磁場(chǎng)即可產(chǎn)生該種“受拓?fù)浔Ｗo(hù)”的電流。在拓?fù)浣^緣體的大部分，電子僅做簡(jiǎn)單的繞圈運(yùn)動(dòng)，但邊緣處的電子以半圓形的軌跡跳躍。由于光子沒有磁矩，因此不受磁場(chǎng)的直接影響，但可通過入射光激發(fā)的電子來(lái)實(shí)現(xiàn)類似的效果。磁場(chǎng)對(duì)這些電子產(chǎn)生不同的影響，反過來(lái)也會(huì)對(duì)光產(chǎn)生不同的影響。
美國(guó)加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校的應(yīng)用物理學(xué)家Boubacar解釋道：“光子與磁場(chǎng)的相互作用通過拓?fù)浣^緣體傳遞。”該理論在低頻下適用。
從理論到實(shí)踐
在硅光子學(xué)中，紅外波長(zhǎng)下材料對(duì)磁場(chǎng)的反應(yīng)非常微弱，因此許多研究人員認(rèn)為這將無(wú)法產(chǎn)生光學(xué)帶隙，即在該光譜區(qū)域內(nèi)材料的大部分體積內(nèi)無(wú)法傳輸電磁波。然而，Boubacar和他的學(xué)生們并沒有退縮，他們“做了一些計(jì)算來(lái)驗(yàn)證這些假設(shè)的正確性”。他們意識(shí)到，僅能在極短的波長(zhǎng)帶寬內(nèi)傳輸這一缺點(diǎn)可以用于需要窄帶寬的激光器中。
為了研究這一點(diǎn)，研究人員使用了兩種光子晶體——由磷化砷鎵銦制成的周期性光學(xué)納米結(jié)構(gòu)。研究人員將其中一個(gè)光子晶體保存在另一個(gè)光子晶體內(nèi)部，并將兩個(gè)晶體置于磁性礦物釔鐵石榴石的頂部。內(nèi)部晶體由一系列排列成正方形柵格狀的星形晶胞組成，而外部晶體為具有圓柱孔的三角形柵格狀。兩個(gè)晶體之間的接觸面則是激光器的空腔，激光在該空腔中被放大。
光學(xué)帶隙的形成
這兩種不同形狀的光子晶體產(chǎn)生了單向且穩(wěn)定的光子邊緣態(tài)，非常類似于拓?fù)浣^緣體中的電子邊緣態(tài)。其引發(fā)的磁場(chǎng)能產(chǎn)生僅為42μm的光學(xué)帶隙，并在大約1550nm處完全反射，該區(qū)域?yàn)楣饫w光學(xué)傳輸中最長(zhǎng)使用的波長(zhǎng)范圍。
Boubacar解釋道：“光無(wú)法穿透兩面拓?fù)洳煌溺R子，但可以在它們之間傳播，因?yàn)槠鋼碛胁煌耐負(fù)洹?rdquo;磷化砷鎵銦在被激光器激發(fā)時(shí)自發(fā)發(fā)光，這種光存在于拓?fù)洳煌牟牧现g的邊緣態(tài)內(nèi)。因此這種邊緣態(tài)能夠?qū)θ我庑螤畹募す馄骺涨恍纬缮⑸浔Ｗo(hù)。
光束的提取
為了提取光束，研究人員去除了外部光子晶體的一排空隙，以產(chǎn)生空腔中瞬逝場(chǎng)的波導(dǎo)耦合，即一種由空腔內(nèi)光波產(chǎn)生的非傳播式電磁干擾。研究人員發(fā)現(xiàn)從波導(dǎo)中形成的光強(qiáng)烈地傾向于某一個(gè)方向，這證明該種光在單向邊緣模式下產(chǎn)生。
研究人員表示，這種特性是非常有用的，因?yàn)榉瓷浠乜涨坏募す馐梢宰⑷朐肼?，甚至破壞大功率的腔體。預(yù)防該種情況的設(shè)備通常體積龐大且需消耗大量能源。Boubacar表示：“現(xiàn)在我們有一種設(shè)備能夠選擇光入射的方向，使其無(wú)法再返回源頭。”
任意形狀的空腔可以實(shí)現(xiàn)集成光電子元件更密集的封裝，從而提高元件的運(yùn)行速度。此外，無(wú)散射光子路徑的使用能夠在量子電路周圍傳輸更長(zhǎng)距離的量子態(tài)。研究人員目前正在研發(fā)電動(dòng)激光器，以避免使用大體積激光器。
舉世矚目的研究成果
美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的Andrea認(rèn)為這是首個(gè)非交互的拓?fù)涔庾硬牧?，由于光學(xué)中的磁偏是不可逆的。“這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果舉世矚目，我知道很多人都在為此努力。”然而Andrea對(duì)一些潛在應(yīng)用持懷疑態(tài)度，例如激光器的小型化，因?yàn)楣庾泳w需要的晶胞數(shù)量過多。
“通常，當(dāng)晶胞間的距離為半波長(zhǎng)時(shí)出現(xiàn)第一個(gè)帶隙，即750nm處。研究人員需要大量的晶胞來(lái)產(chǎn)生連接界面。有很多方法可以制造比這更小的激光器。”Andrea表示，研究中沒有提到的一個(gè)潛在且有趣的方法為創(chuàng)建具有角動(dòng)量的激光束。
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