南京大學(xué)成功在芯片上模擬天體引力場(chǎng)捕獲光子

近日出版的《自然-光子學(xué)》(Nature Photonics, 2013, doi:10.1038/nphoton.2013.247)發(fā)表了南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室祝世寧院士課題組的劉輝教授與博士生盛沖的題為 “trapping light by mimicking gravitational lensing”研究成果。該論文主要報(bào)道了在光子芯片上實(shí)現(xiàn)了一種新型的非共振寬波段的光學(xué)微腔，可以模擬相對(duì)論引力透鏡效應(yīng)來捕獲光子。

“光”是自然界中最神秘的物質(zhì)之一，近代物理學(xué)的幾次重要革命，都是發(fā)源于人們對(duì)“光”的探索。愛因斯坦為了描述宇宙時(shí)空的本質(zhì)，建立了廣義相對(duì)論，其最著名的預(yù)言是光線在天體附近引力場(chǎng)中會(huì)發(fā)生彎曲。1919年，天文學(xué)家愛丁頓在日食過程中，觀測(cè)到了太陽引力場(chǎng)中光線的彎曲，直接驗(yàn)證近代最偉大理論的預(yù)言。同樣，由于光是世界上速度最快的信息載體，對(duì)光的捕獲和操控，就像理解光的本質(zhì)一樣，也是人們孜孜不斷追求的目標(biāo)。

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進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，由于信息技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展和光子集成的應(yīng)用需求，人們?cè)絹碓叫枰�在微小芯片上操控光子的行為。最近，劉輝與盛沖采用簡(jiǎn)單而巧妙的旋涂加熱工藝，利用微球表面與聚合物薄膜接觸的表面張力，在一塊微小的光子芯片上，實(shí)現(xiàn)了折射率具有類似中心引力場(chǎng)分布的光學(xué)微腔。光子在這種微腔中的傳播特性可以模擬出光子在天體引力場(chǎng)中傳播受引力場(chǎng)吸引所產(chǎn)生的彎曲。他們理論上采用廣義相對(duì)論的愛因斯坦方程，計(jì)算了不同入射光子的傳播路徑，實(shí)驗(yàn)中利用量子點(diǎn)熒光激發(fā)，測(cè)量了不同入射距離的光束在微腔周圍的傳播路徑。結(jié)果證明，與黑洞周圍引力場(chǎng)"視界"類似，這種微腔也存在一種臨界半徑，當(dāng)光子的傳播路徑通過臨界半徑包圍的區(qū)域，光子就會(huì)被微腔捕獲，而當(dāng)光子的傳播路徑在臨界半徑區(qū)域之外，光子不會(huì)被捕獲，只是路徑發(fā)生彎曲，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論很好的符合。該工作最近發(fā)表在《自然-光子學(xué)》發(fā)表后， 《自然》雜志主頁(yè)"NEWS&COMMENTS"專欄對(duì)這個(gè)工作進(jìn)行了評(píng)述，國(guó)際著名超構(gòu)材料專家Leonhardt教授評(píng)價(jià)這個(gè)工作是“第一次在光子芯片上，用簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，精確而漂亮地演繹了愛因斯坦廣義相對(duì)論所描述的部分思想”。

與以前的大多數(shù)窄帶共振光學(xué)微腔相比，工作中報(bào)道的非共振光學(xué)微腔具有寬波段特性，可以捕獲較寬的連續(xù)波段內(nèi)的光子，這也發(fā)展了光學(xué)微腔一種新的功能，可以應(yīng)用于光子芯片上的寬波段激光器，光電探測(cè)，光伏器件等。