科技日報記者 張佳欣

荷蘭原子與分子物理研究所、代爾夫特理工大學和美國康奈爾大學的研究人員開發(fā)出一種革命性光聚焦技術(shù)，可將光束縛在與自身波長相當?shù)臉O小空間內(nèi)。該方法利用了光子晶體的特殊性質(zhì)，適用波長范圍更廣，能形成極高強度的局域光場，可為光子芯片、量子通信等領(lǐng)域帶來突破。相關(guān)論文發(fā)表于最新一期《科學進展》雜志。

傳統(tǒng)光聚焦技術(shù)存在固有局限：光學諧振腔依賴特定波長共振，而透鏡類波導僅適用于遠大于波長的器件。此次，團隊另辟蹊徑，首次利用拓撲光子晶體的特殊性質(zhì)破解難題。

團隊使用的光子晶體，是由硅制成的薄片，上面刻有非常小的孔洞陣列。從原理上講，這些孔洞會阻止光線在硅薄片中的傳播。但將兩片鏡像對稱的晶體并排放置時，它們的邊界處就會形成一個波導，光線只能沿著邊界移動。這種設(shè)計的特別之處在于，光線的傳導是受拓撲保護的，這意味著晶體中的缺陷對光線的散射或反射被抑制了。

團隊在波導末端設(shè)置了光線無法穿透的反射“墻”。由于拓撲保護機制，入射光被“困”在界面處持續(xù)累積，形成強度極高的局域光場。他們使用獨特顯微鏡，通過晶體表面上方的一根超細針尖掃描光場，能在寬度是人類頭發(fā)絲約千分之一的尺度上定位光強。

團隊在拓撲波導末端看到光場明顯放大。有趣的是，這種情況僅在波導末端的“墻”以特定角度放置時才會發(fā)生，這證明光放大與后向反射的拓撲抑制有關(guān)。光放大集中在一個非常小的體積內(nèi)，小到與光線本身的波長相當。這種方法的一個主要優(yōu)點是其寬帶特性適用于多種不同的波長。

這種拓撲聚焦機制具有普適性，理論上可推廣至聲波、電子波等其他波動形式。

總編輯圈點

操控和利用光是現(xiàn)代通信的一個重要命題。此次，科研人員利用光子晶體的特殊性質(zhì)，在芯片上實現(xiàn)超小空間的光聚集。團隊通過巧妙的設(shè)計和布局，讓光只能沿著特定路線移動，還給光裝上了“防抖裝置”，并在光行進路線的盡頭設(shè)置了“墻”，光因為無法通過而持續(xù)累積，形成高能能量場。該機制不僅適用于光波，也可推廣到聲波、電子波等其他形式。該技術(shù)為未來超緊湊、高性能光學芯片的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)，為光電子領(lǐng)域的發(fā)展開辟了新道路。