零折射率波导：研究人员首次直接观察到无限长波长

[据物理学组织网站2017年10月9日报道] 美国哈佛大学约翰•波尔森工程与应用科学学院开发出与硅基光子集成技术相兼容的零折射率波导，并观察到驻波。研究成果发表在《ACS光子学》期刊。

此前，2015年10月，约翰•波尔森工程与应用科学学院开发出首个零折射率片上超材料，可以使光相位无限拉伸。超材料可作为操控光的新方法，使实现光子集成电路的重要一步。当光波长通过材料时，波峰和波谷会被压缩或拉伸，这取决于材料性质。人们采用折射率表示波峰被压缩了多少，折射率越高，光波长越小。当折射率减小到零时，光波可被无限拉长，相位恒定。相位振荡仅是时间的变量，而与空间无关。该技术对于光子集成非常有帮助。因为大部分光器件利用同步传播的两个或多个光波间的相互作用。如果光波长是无限长的，那么就不存在光波长相位匹配问题，每一点的光场分布均相同。2015年，研究人员利用棱镜测试片上光波长是否被无限拉伸，因而所有的器件均做成棱镜的形状。但是，棱镜对集成电路来说不是特别有用的形状。因此，研究人员希望开发出能直接与现有光子电路相集成的器件，显然，最有用的形状是直线或者波导形状。

在不借助棱镜的情况下，由Eric Mazur教授主导的研究团队开发出一种波导。然而，证明波导折射率为零是相当困难的。这时，博士后研究员Orad Reshef和Philip Camayd-Muñoz有一个想法：通常，光波长非常小并且振荡得很快，只能测量平均值。观察到光波长的唯一方法是用两束光产生干涉现象。想象一下吉他上的固定在两边的琴弦，当琴弦被波动时，声波通过琴弦撞到另一边的针脚并被反射回来，由此产生频率相同、传输方向相反的两列波，称为“驻波”。Orad Reshef博士和Philip Camayd-Muñoz博士将这一想法用于波导中的光束。研究人员从波导相反方向照射光束“固定”光，产生驻波。每束光波仍快速振荡，但是方向相反，频率相同，这意味着在某一点两束光波相抵消或者相叠加，产生明暗条纹。由于波导的折射率为零，研究人员可以使波长拉伸得足够大，从而被观察到。这可能是第一次利用无限波长观察到驻波。光波长非常小，难以直接观察到，采用该技术可利用普通的显微镜观察到光波长。

该技术有益于硅基光子集成，未来量子计算机能基于受激原子网络，通过光子传递信息，原子的作用范围大致相当于光波长。通过使光波长变得非常大，研究人员有望通过远距离作用，扩展量子器件。（工业和信息化部电子第一研究所   许文琪）