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拓扑光子学:打造光子专用“高速公路”
发布时间:2019-11-28 18:12:15   作者:匿名

●它能让光子掉头,也能让光子“不折不扣”勇敢地前进。它能使光子“包含”各种缺陷,并具有很强的抗干扰能力。它在军事通信、光子芯片、激光等领域具有广阔的应用前景。

光束沿直线传播是一个普遍的物理知识。如果有人告诉你光束也可以转向,你可以说,"做梦!"

事实上,许多科学发现在于在“梦想成真”之前拥有“梦想”。今天,转动光束的科学梦想已经成为现实。2009年10月,一个外国研究小组利用光学拓扑理论设计了一种可以控制光束的装置,这样光线就可以继续在装置中的障碍物周围传播。这一科学发现颠覆了人们对光束的传统理解,引起了国际科学界的广泛关注。

为什么传播速度极快的光束可以转弯甚至绕过障碍物?秘密是光子有一条特殊的“公路”。现在让我们一起揭开它的神秘面纱。

充分利用拓扑来改变光束的直线传播。

光束的本质是沿着直线传播。我们如何才能改变它的本质?这必须依赖于拓扑。拓扑学是近代发展起来的研究连续变形的数学分支,它比较深奥,可以通过简单的类比来理解。简而言之,拓扑学是一门研究几何中“洞”的数量(即“拓扑数”)的科学。例如,像美食甜甜圈和呼啦圈这样的健身人群都有一个洞。从数学上讲,我们可以把中间只有一个“洞”的结构归类为只有一个“洞”的圆环体。对于篮球、足球、西瓜和其他没有“洞”结构的物体,它们被归为另一类。虽然它们都属于圆环体,但前者的“孔”数是1,而后者是0。结构不同,性能也有很大差异。简而言之,根据包含在不同对象中的“孔”的数量对对象进行分类,并根据属性比较具有相同数量“孔”的对象是拓扑分类的。

拓扑学是一个神奇的数学概念。进入物理领域后,它首先被用来描述物质中电子运动的规律,从而发现了“拓扑绝缘体”。与不导电的橡胶和其他普通绝缘体相比,这种新型材料虽然也能阻止电荷的流动,但为其表面的电子开辟了一条“高速公路”,允许电子无阻碍、低损耗地高速流动。

“拓扑绝缘体”的独特功能让物理学家思考它。2008年,物理学家邓肯·霍尔丹(Duncan Haldane)提出了一个创造“光学拓扑绝缘体”的新想法。他的假设是,当两种不同拓扑数的材料紧密拼接在一起时,界面将不可避免地出现光学拓扑边界状态。这样,耦合到材料表面的光自然不会也不需要穿透到材料体内,经历像交通堵塞一样的“散射和吸收”,并将顺从地行走到其自身的表面通道上。这种光学拓扑边界状态相当于光子的一条特殊“公路”,但它不是一条直线,有不同大小的弯道,就像普通的公路一样。光子只能沿着弯曲的道路行进,即在材料表面上的“曲线传播”。以这种方式,光束的直线传播的性质被改变。

“只是意外,不是不可能”。现在,在科学家们不懈的探索和创新中,这条光子“公路”已经成为现实。这是从拓扑学发展而来的“拓扑光子学”。

具有奇特的特性,显示超强的能力

在这条光子专用的“高速公路”上,处于光学拓扑边界状态的光子只能沿着边界传播。与传统的光导介质相比,它的拓扑保护特性使光学拓扑绝缘体具有许多独特的能力。

让光子不受阻碍地运行。在光学拓扑绝缘体中,相似电子的自旋特性可以用两种偏振方向相互垂直的光来模拟。结果,在光学拓扑绝缘体的边缘,具有不同“自旋特性”的光波组合分别属于不同的“通道”,从而避免了两种组合之间的相互干扰。光子传播“通道”从狭窄的“森林路径”升级为宽阔而通畅的“高速公路”。当遇到散射体时,它不会“转身离开”,也就是说,它不会引起反向散射。这样,不仅可以巧妙地实现“单向光传输”的功能,而且可以大大提高负载信息在光子中的传输效率。

让光束转向。光学拓扑状态(Optical topological state)是由两种拓扑数不同的材料组成的物质界面,这使得进入界面的光子注定只能在“裂缝”中存活,并且只能沿着两个物体的接合处传播。这样,可以根据需要在材料的接合处进行大角度弯曲,并且光子可以自由“运行”,即使它们被制成诸如“Z”的形状。也就是说,不管道路有多曲折,它都能勇敢地前进,使光束的急转弯不再是神话。

让光子“包含”缺陷。在传统认知中,光子是一个“完美的学校”。无论它们走到哪里,环境都必须干净稳定,否则它们会在传播中被散射或吸收,从而使许多光学实验无法正常进行。在许多光学加工和元件生产过程中,需要超高精度的加工方法来减少对光束的影响,这导致高加工和生产成本。如果采用拓扑光子学,这个问题可以很好地解决。因为光学拓扑的边界状态非常稳定,所以即使具有拓扑性质的光子遇到缺陷或缺陷,系统的拓扑数也不会改变。这种对缺陷的“容忍”使得光学拓扑绝缘体具有很强的抗干扰能力。

军事应用潜力巨大,后发优势尤为明显。

作为一种奇特的光子传输状态,光学拓扑边界状态所具有的“独特技能”是其他光学效应无法比拟的。2013年,科学家在实验室成功开发了第一个光学拓扑绝缘体。他们巧妙地设计了一个独特的“波导”网格,可以显著减少光在传输过程中的散射,为未来的光学应用打开一扇新的大门。目前,大量实验证明,光学拓扑绝缘体优越的性能使其在通信、光集成等领域具有广阔的应用前景。特别是在军事应用方面,它已经成为一种“潜在的库存”,在落后方面具有明显的优势。

超稳定光通信线路的建设。现代高速通信的基础主要是采用遍布海底的高速光缆。信号的长距离传输和放大一直是制约通信速度提高的核心问题之一。当光纤对信号产生的反向散射光连续叠加并与信号光具有相同的频率时,它将构成对信号的干扰。如果使用具有拓扑保护特性的光子晶体光纤,这个问题可以得到有效解决。因为光拓扑边界状态的单向传输特性不仅可以实现超高速光信号传输,更重要的是实现低功耗、高保真的超稳定通信。这将为军事应用中综合信息网络的建设提供有力支持。

推动光子芯片技术的发展。现代信息技术的核心是电子芯片。半个世纪以来,芯片的性能提升一直遵循摩尔定律,即每18个月性能翻一番,但电子芯片的发展并不是无限的。因此,科学家们正试图开发光子芯片,用光子代替电子作为逻辑运算的基本载体,成为具有颠覆能力的新一代计算核心。与含铜线的电子芯片不同,它利用光束大角度、低损耗传输的优点,大大提高了芯片的性能和信息处理的安全性。一旦研发成功,将推动军事领域新一代光计算元件的发展,增强相关信息处理能力,实现完全自主和控制。

创建高效激光光源。激光放大是通过种子光在谐振腔中的来回反射来实现的,谐振腔中的缺陷会影响激光损耗阈值,从而大大降低激光输出功率,甚至阻止光出射。如果利用光波对结构缺陷的免疫力,采用光学拓扑绝缘体设计的谐振腔,可以很好地避免谐振腔中的缺陷,使激光器具有更高的工作效率和更稳定的性能。未来,一种以拓扑绝缘体激光器为核心的新型有源拓扑光子器件将会给军事通信、战场感知等信息战领域带来革命性的变化。

专家传记:杨达特(yang dart),国防科技大学前沿跨学科学院纳米科学系讲师、博士,入选2019年“湘江学者计划”。他主要从事拓扑光子学和超材料,在《科学》、《自然物理学》和《自然通讯》等国际权威期刊上发表过10多篇论文。

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