二维光波导： 科学家发明已知最小的导光方式

芝加哥大学的科学家们发现，一种只有几个原子厚度的玻璃晶体可以捕捉和携带光--而且可以用于各种应用。研究报告合著者洪瀚宇手持的塑料中央的细线就是这种材料。图片来源：Jean Lachat

将光线从一个地方引向另一个地方是我们现代世界的支柱。在海洋下面和各大洲之间，光纤电缆传输着从YouTube视频到银行传输等各种编码的光--所有这些都在头发丝般大小的光纤中。

然而，芝加哥大学的 Jiwoong Park 教授想知道，如果把光丝做得更细、更扁平--实际上细到实际上是二维而不是三维--会发生什么情况。光会发生什么变化？

通过一系列创新实验，他和他的团队发现，只有几个原子厚度的玻璃晶体薄片可以捕获并携带光线。不仅如此，它的效率还出奇地高，可以传输相对较远的距离--一厘米，这在基于光的计算领域是非常远的。

这项发表在《科学》杂志上的研究展示了本质上的二维光子电路，并可能为新技术开辟道路。

"这项研究的主要作者、詹姆斯-弗兰克研究所（James Franck Institute）和普利兹克分子工程学院（Pritzker School of Molecular Engineering）化学系教授兼系主任朴智雄（Jiwoong Park）说："我们完全惊讶于这种超薄晶体的强大功能；它不仅能保持能量，还能将能量传递到比任何人在类似系统中看到的要远一千倍的地方。"被困住的光也表现得像在二维空间中行进一样"。

引导光线
新发明的系统是一种引导光的方法，被称为波导，本质上是二维的。在测试中，研究人员发现他们可以使用极其微小的棱镜、透镜和开关来引导光沿着芯片的路径--所有这些都是电路和计算的要素。
 

Jiwoong Park 教授（左）和科学家 Hanyu Hong（右）在激光实验室，他们在那里确认这种材料可以携带光--尽管它比光本身还要小。图片来源：Jean Lachat

光子电路已经存在，但它们要大得多，而且是三维的。最关键的是，在现有的波导中，光粒子--即所谓的光子--总是封闭在波导内传播。

科学家们解释说，在这个系统中，玻璃晶体实际上比光子本身还要薄，因此光子的一部分实际上在传播过程中伸出了晶体。

这就有点像建造一个管道把行李箱送到机场和把它们放在传送带上的区别。在传送带上，行李箱是露天的，你可以很容易地看到并在途中调整它们。这种方法使得利用玻璃晶体制造复杂装置变得更加容易，因为光线可以通过透镜或棱镜轻松移动。

光子还能体验沿途的状况信息。想想看，检查从室外进来的行李箱，看看外面是否下雪了。同样，科学家们可以想象利用这些波导制造微观层面的传感器。

"Park 解释说："比如说，你有一个液体样本，你想感知是否存在某种特定的分子。"你可以这样设计，使波导穿过样品，而该分子的存在将改变光的表现。

科学家们还对建立非常薄的光子电路感兴趣，这种电路可以堆叠起来，在相同的芯片面积上集成更多的微小器件。他们在这些实验中使用的玻璃晶体是二硫化钼，但其原理应该适用于其他材料。

科学家们说，虽然理论科学家们已经预测到这种行为应该存在，但在实验室中真正实现这种行为却是一个长达数年的过程。

"这是一个极具挑战性但又令人满意的问题，因为我们进入了一个全新的领域。因此，我们所需要的一切都必须自己设计--从材料的生长到测量光是如何移动的，"该论文的共同第一作者、研究生 Hanyu Hong 说。

参考资料
 

Myungjae Lee et al, Wafer-scale δ waveguides for integrated two-dimensional photonics, Science (2023). DOI: 10.1126/science.adi2322

本文由光电查搜集整理，未经同行评议，请自行判断可信度。仅供学习使用。