南京大學(xué)實(shí)現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)固體微結構國家重點(diǎn)實(shí)驗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。該論文主要報道了在光子芯片上實(shí)現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來(lái)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(ài)因斯坦為了描述宇宙時(shí)空的本質(zhì)，建立了廣義相對論，其最著(zhù)名的預言是光線(xiàn)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(ài)丁頓在日食過(guò)程中，觀(guān)測到了太陽(yáng)引力場(chǎng)中光線(xiàn)的彎曲，直接驗證近代最偉大理論的預言。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。

　　進(jìn)入二十一世紀以來(lái)，由于信息技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展和光子集成的應用需求，人們越來(lái)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(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)現了折射率具有類(lèi)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論的愛(ài)因斯坦方程，計算了不同入射光子的傳播路徑，實(shí)驗中利用量子點(diǎn)熒光激發(fā)，測量了不同入射距離的光束在微腔周?chē)膫鞑ヂ窂?。結果證明，與黑洞周?chē)?chǎng)"視界"類(lèi)似，這種微腔也存在一種臨界半徑，當光子的傳播路徑通過(guò)臨界半徑包圍的區域，光子就會(huì )被微腔捕獲，而當光子的傳播路徑在臨界半徑區域之外，光子不會(huì )被捕獲，只是路徑發(fā)生彎曲，實(shí)驗結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(zhuān)欄對這個(gè)工作進(jìn)行了評述，國際著(zhù)名超構材料專(zhuān)家Leonhardt教授評價(jià)這個(gè)工作是“第一次在光子芯片上，用簡(jiǎn)單的實(shí)驗，精確而漂亮地演繹了愛(ài)因斯坦廣義相對論所描述的部分思想”。

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