南京大學(xué)成功在芯片上模擬天體引力場捕獲光子

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“光”的探索。愛因斯坦為了描述宇宙時空的本質(zhì)，建立了廣義相對論，其最著名的預(yù)言是光線在天體附近引力場中會發(fā)生彎曲。1919年，天文學(xué)家愛丁頓在日食過程中，觀測到了太陽引力場中光線的彎曲，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，人們越來越需要在微小芯片上操控光子的行為。最近，劉輝與盛沖采用簡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中傳播受引力場吸引所產(chǎn)生的彎曲。他們理論上采用廣義相對論的愛因斯坦方程，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"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"NEWS&COMMENTS"專欄對這個工作進(jìn)行了評述，國際著名超構(gòu)材料專家Leonhardt教授評價這個工作是“第一次在光子芯片上，用簡單的實(shí)驗(yàn)，精確而漂亮地演繹了愛因斯坦廣義相對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，光伏器件等。