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光可以在纳米装置中无限快传播?

时间:2019-03-22|栏目: 天文 • 物理 |点击:7

    光可以在纳米装置中无限快传播?

    “证明这么一件事情不仅非常有趣而且还很有用,”蔡文山说道,他是美国亚特兰大乔治亚理工学院的一名电气工程师,他倒没有参与该工作。

    在真空里面,光速总是为300 000 000 m/s,而在诸如玻璃的材料中,光的传播速度则变慢。光在真空和介质的速率比定义为材料的“折射率”(明显它比1大)。然而,科学家开始以另类的方法操作光和材料的相互作用来调整折射率,比如得到负的折射率,这能导致光的反常弯曲。

    现在,阿尔伯特•波尔曼(Albert Polman)(来自阿姆斯特丹原子和分子物理研究所的物理学家)和纳德•恩亥塔(Nader Engheta)(宾夕法尼亚大学电气工程师)以及同事已经取得了一定成就。他们发展了一种折射率为零的小设备,这样的话特定波长的光波能无限快地传播。

    这种设备包括一个85纳米厚,2 000纳米长的矩形状绝缘体二氧化硅,其周围涂有不能透光的导电银。这就是被称为“波导”的传输光的小室。研究者做成了各种二氧化硅设备,宽度从120到400纳米不等,就像他在发表在PRL上的论文报道的一样。

    光在这种“波导”中传播行为会反常,因为电磁场会在设备的不同边上遵循设定的“边界条件”。短波光会在波导的两端来回震荡。光波的波峰和波谷重叠产生出明暗带的花样,这种花样类似环形管风琴产生的压力图样。在此波长以上光波,则一点也不会传播。

    恰好在此临界波长时,情况开始变得有趣。不是产生带状花样,而是整个波导点亮。这意味着光波不是同等间隔的波峰或相位波前(phase fronts),而好像是波峰同时在所有地方无限快地传播。因为光沿着波导的长度同步震荡。

    恩亥塔和公司先前已经生产出适用于微波的(更长波长辐射)零折射率设备。在可见光范围内做出这种设备更难,因为新设备会变得更小以至于没有光源。然而,研究者通过轰击一束电子在波导中产生各个波长的光,并测试光的流出量,在特定波长的光的照耀量依赖于电子束是否达到一个点,这个点就是在这种波长下的暗的或者亮的斑点。通过观察沿着波导的束和监测流出量,研究者追踪各个波长的光斑。香港科技大学的物理学家陈子亭说:“这是性质最好的纳米设备。”

    那么如何能让光波同时在所有地方不违背相对论?恩亥塔解释道,光有两个速度。“相速”描述了一个特定波长的波的移动速度,“群速”描述了光传播能量和信息的速度。只有群速必须维持在低于真空光速下,恩亥塔说,在波导里面,它就是这样。

    恩亥塔说,这种设备有大量的应用。因为从波导流出的光是同时进行的,所以波导可能弯曲形成能发射修饰了的前相位光波的天线。这也可能帮助科学家制造出想要的纳米尺度光通路的导管。

    这种波导阵列甚至可能会制造出零折射率的块体材料。但是组装这种阵列将会有非常大的挑战,蔡文山说:“理论上容易,实验上却很难。”

    (环球科学 黄晓强)

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