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零折射率超材料可整合在芯片上讓光速“無限大”

最近，美國哈佛大學(xué)科學(xué)家首次設(shè)計出一種折射率為零、能整合在芯片上的超材料，光在其中的速度可以達到“無限大”。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，沒有相推進，會產(chǎn)生靜止相態(tài)，其波長可以看作是無限長。

聽起來這好像違反了相對論法則，但實際上沒有。宇宙中沒什么東西能跑得比光快，但光還有另一種速度，即波峰運動的速度，稱為相速度，這種光速快慢取決于光通過的材料。比如光通過水面時，相速度會因波長被擠壓而變小，進入水中后，相速度會再變大，因為波長被拉伸。在介質(zhì)中，用折射率來表示光波波峰的速度減慢，折射率越高，對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，沒有波峰波谷的相推進，這意味著光表現(xiàn)得不再像一種運動波，而是一種靜止相，所有波峰波谷排成無限長的波長。波峰和波谷只作為一種時間上的變量，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、擠壓或扭曲而不會損失能量。把零折射率材料整合到芯片上，有望帶來光明的應(yīng)用前景，尤其是在量子計算領(lǐng)域。

據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)報道，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。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，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)用打開了大門。”

論文第一作者、馬祖爾團隊博士后研究員李揚(音譯)說，在一般的硅波導(dǎo)中，光能約束軟弱而無效，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解決方案。

相關(guān)論文發(fā)表在《自然—光子學(xué)》雜志上。