零折射率超材料讓光速在芯片上“無(wú)限大”

　　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。

　　這種零折射率材料由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)。

　　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?！斑@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。

　　相關(guān)論文發(fā)表在《自然—光子學(xué)》雜志上。