零折射率超材料可整合在芯片上讓光速“無限大”

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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，美國哈佛大學科學家首次設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及其在集成光學中的應用打開了大門。這種零折射率材料由鍍金硅柱陣列嵌入聚合物基陣構成，沒有相推進，會產生靜止相態，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，而這種統一相態讓光變得可以拉伸、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，有望帶來光明的應用前景，尤其是在量子計算領域。

據物理學家組織網報道，零折射率的超材料由鍍金硅柱陣列嵌在聚合物基體中構成，能將硅波導與標準集成光子器件、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·波爾森工程與應用科學學院(SEAS)物理學與應用物理學教授埃里克·馬祖爾說，這是控制光的一種很好的新方法。“這種芯片上超材料，為探索零折射率物理學及其在集成光學中的應用打開了大門。”

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結構中約束電磁能量提供了一個解決方案。

相關論文發表在《自然—光子學》雜志上。