光不僅作為光學(xué)計(jì)算機(jī)芯片的信息載體，尤其是下一代量子計(jì)算機(jī)，都扮演著重要的角色。它在微小芯片尖角周?chē)�的無(wú)損引導(dǎo)以及對(duì)其與其他光相互作用的精確控制是全球研究的焦點(diǎn)。帕德博恩大學(xué)的科學(xué)家們現(xiàn)在已經(jīng)證明了光波的空間限制到比拓?fù)涔庾泳�體中的波長(zhǎng)更小的點(diǎn)。這些是人造電磁材料，可促進(jìn)對(duì)光的穩(wěn)健操控。這種狀態(tài)受到特殊屬性的保護(hù)，例如對(duì)量子芯片很重要。該研究結(jié)果現(xiàn)已發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上。

拓?fù)渚�體基于特定結(jié)構(gòu)發(fā)揮作用，其特性在很大程度上不受干擾和偏差的影響。雖然在普通光子晶體中，光操縱所需的效果是脆弱的，并且會(huì)受到材料結(jié)構(gòu)缺陷的影響，例如，在拓?fù)涔庾泳�體中，條件不受此影響。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)允許諸如單向光傳播和增加引導(dǎo)光子的魯棒性等特性，這些特性對(duì)未來(lái)的基于光的技術(shù)至關(guān)重要。

光子晶體在光子的光學(xué)帶隙的幫助下影響電磁波的傳播，該帶隙阻止光在某些方向上的運(yùn)動(dòng)。散射通常會(huì)發(fā)生——一些光子被反射回來(lái)，而另一些則被反射掉。帕德博恩大學(xué)超快納米光子學(xué)研究小組負(fù)責(zé)人Thomas Zentgraf教授解釋說(shuō)：“通過(guò)跨越更大范圍的光子晶體的拓?fù)涔鉅顟B(tài)，您可以防止這種情況發(fā)生。在普通的光波導(dǎo)和光纖中，背向反射是一個(gè)主要問(wèn)題，因?yàn)樗鼤?huì)導(dǎo)致不需要的反饋，傳播過(guò)程中的損耗阻礙了光學(xué)芯片的大規(guī)模集成。”

這個(gè)概念起源于固態(tài)物理學(xué)，已經(jīng)導(dǎo)致了許多應(yīng)用，包括穩(wěn)健的光傳輸、拓?fù)溲舆t線、拓?fù)浼す馄骱土孔痈缮�。Zentgraf 補(bǔ)充道：“最近還證明，基于弱拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的拓?fù)涔庾泳�體在周期性結(jié)構(gòu)中具有晶體位錯(cuò)也表現(xiàn)出這些特殊性質(zhì)，并且還支持所謂的拓?fù)浔Ｗo(hù)強(qiáng)空間局域光態(tài)。當(dāng)某物受到拓?fù)浔Ｗo(hù)時(shí)，參數(shù)的任何變化都不會(huì)影響受保護(hù)的特性。局部光狀態(tài)對(duì)于非線性放大、光子組件的小型化和光子量子芯片的集成非常有用。”在這種情況下，弱拓?fù)錉顟B(tài)是光的特殊狀態(tài)，不僅來(lái)自拓?fù)鋷ЫY(jié)構(gòu)，而且來(lái)自晶體結(jié)構(gòu)的形成。

Jinlong Lu在光學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)量

在一項(xiàng)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)中，帕德博恩大學(xué)和亞琛工業(yè)大學(xué)的研究人員使用一種特殊的近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡來(lái)證明拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中存在這種強(qiáng)局域化的光態(tài)。Zentgraf小組的博士生，該論文的第一作者Jinlong Lu解釋說(shuō)：“我們表明，弱拓?fù)涞亩喙δ苄钥梢栽谟幸庹T導(dǎo)的結(jié)構(gòu)位錯(cuò)中產(chǎn)生強(qiáng)烈的空間局部光場(chǎng)�！盳entgraf 補(bǔ)充道：“我們的研究展示了一種可行的策略，可以實(shí)現(xiàn)光的拓?fù)浔Ｗo(hù)、局部零維狀態(tài)�！蓖ㄟ^(guò)他們的工作，研究人員已經(jīng)證明近場(chǎng)顯微鏡是表征具有納米級(jí)分辨率的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在光學(xué)頻率下的寶貴工具。

這些發(fā)現(xiàn)為使用基于弱拓?fù)涞膹?qiáng)局域光學(xué)光態(tài)提供了基礎(chǔ)。因此，具有可調(diào)折射率的相變材料也可用于實(shí)驗(yàn)中使用的納米結(jié)構(gòu)，以生產(chǎn)堅(jiān)固且有源的拓?fù)涔庾釉�件。Zentgraf 說(shuō)：“我們現(xiàn)在正在研究為晶體結(jié)構(gòu)中的位錯(cuò)中心配備用于單光子生成的特殊量子發(fā)射器的概念，然后這些可以用于未來(lái)的光量子計(jì)算機(jī)，其中單光子生成發(fā)揮作用一個(gè)重要的角色�！�

相關(guān)鏈接：https://phys.org/news/2021-12-artificial-material-states-smallest-length.html