“光子超晶體”你了解嗎？

 集成兩種人造光學(xué)材料概念的光源可能會推動超快速“Li-Fi”通信。

在許多應(yīng)用中，Li-Fi空中光網(wǎng)絡(luò)可能比Wi-Fi和其他射頻系統(tǒng)更具優(yōu)勢。Li-Fi網(wǎng)絡(luò)可以以極高的速度運(yùn)行;他們可以工作在極寬的頻率范圍;他們能夠避免射頻系統(tǒng)的干擾問題，特別是在高安全性要求環(huán)境，如飛機(jī)駕駛艙、核電站;他們不容易被黑客入侵。普渡大學(xué)電氣和計(jì)算機(jī)工程教授Evgenii Narimanov說，雖然Li-Fi網(wǎng)絡(luò)的范圍相對有限，但他們不需要視線連接操作。他說，當(dāng)今的Li-Fi網(wǎng)絡(luò)不能完全發(fā)揮這些潛能，因?yàn)樗鼈內(nèi)狈线m的光源。

但是將兩個(gè)光學(xué)材料概念集成到“光子超高溫”中的設(shè)計(jì)可能會填補(bǔ)這一差距。

該圖描繪了一種“光子超晶體”，這對于未來的“Li-Fi”技術(shù)發(fā)展而言極具前景，它比Wi-Fi和其他射頻通信系統(tǒng)更加具有優(yōu)勢。圖片來源：Tal Galfsky，紐約市立大學(xué)

Narimanov在2014年首先提出了這個(gè)概念。本月，他和紐約市立大學(xué)的同事們在美國國家科學(xué)院院刊(PNAS)的報(bào)告中報(bào)道了光子超晶體，光子發(fā)射率和強(qiáng)度大大提高。Narimanov說，光子超晶體結(jié)合了超材料和光子晶體的性質(zhì)，“人造”光學(xué)材料通常具有不存在于自然界中的性質(zhì)。

超材料是從比光的波長小得多的人造結(jié)構(gòu)體產(chǎn)生的，而在光子晶體中，“單位晶胞”的尺寸與該波長相當(dāng)。 雖然這兩種類型的復(fù)合材料通常顯示出非常不同的性質(zhì)，但光子超晶體將它們?nèi)拷Y(jié)合在相同的結(jié)構(gòu)內(nèi)。

光子超晶體是基于稱為雙曲面超材料的一種類型，其可以用金屬和介電材料的交替層來構(gòu)建，其中電流僅能沿著金屬層方向行進(jìn)。

“通常，對于光、金屬和電介質(zhì)是根本不同的：光可以在電介質(zhì)中傳播，但是從金屬反射回來。”Narimanov說，“但是，雙曲面超材料可以同時(shí)在沿著層表現(xiàn)為金屬，垂直于層的方向表現(xiàn)為電介質(zhì)。對于光線，雙曲線介質(zhì)因此是物質(zhì)的第三種屬性，與通常的金屬和電介質(zhì)完全不同。”

在該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的有趣性質(zhì)中，超材料容納大量的光子狀態(tài)，允許以非常高的速率自發(fā)發(fā)光。

Narimanov說：“對于光源來說，問題是雙曲面超材料中的這種光線不能射出去。”進(jìn)入光子晶體周期性納米結(jié)構(gòu)，可以操縱光干涉，以優(yōu)化光傳輸。

在PNAS論文中提出的集成光子超晶體中，雙曲面超材料由銀(金屬)和氧化鋁(電介質(zhì))的交替層組成。研磨成層的六角陣列產(chǎn)生光子晶體。在設(shè)計(jì)中，可見光是被嵌入在形成雙曲面超材料的一個(gè)層中的量子點(diǎn)(可以發(fā)光的半導(dǎo)體納米顆粒)發(fā)射的。

其結(jié)果是：極高水平的控制和發(fā)射光的增強(qiáng)。

作為這篇PNAS論文主要作者的紐約市立大學(xué)研究生Tal Galfsky說：“這些光子超晶體是在紐約先進(jìn)科學(xué)研究中心，使用標(biāo)準(zhǔn)的納米和微制造技術(shù)，如薄膜蒸發(fā)和聚焦離子束銑削來制造的。” “這些技術(shù)可以與現(xiàn)代工業(yè)具有可拓展性。”

紐約市立大學(xué)物理學(xué)教授Vinod Menon是本文的第一作者，紐約市立大學(xué)研究生Jie Gu也為此作了貢獻(xiàn)。

PNAS報(bào)告的工作表明 “從根本上講，設(shè)計(jì)光子超晶格的問題已經(jīng)解決了” ，Narimanov如是說。但他提醒道，在這些設(shè)備商業(yè)化之前，必須克服重大的工程難題。在這些障礙之中，演示裝置是通過激光光學(xué)抽運(yùn)的，但是真正商業(yè)化的版本則需要電驅(qū)動并且包含半導(dǎo)體或有機(jī)LED。

光子超晶體在成熟時(shí)，也可能會在超快光電子學(xué)中占據(jù)其他角色。最有希望的研究途徑之一，就是在量子信息處理中建立更有效的單光子槍，Narimanov建議道。