光沿直線傳播，這是寫在我們常識(shí)里的一句話，科學(xué)家則有辦法讓光拐彎。浙江大學(xué)和新加坡南洋理工大學(xué)的科學(xué)家合作，構(gòu)建出世界上首個(gè)三維光學(xué)拓?fù)浣^緣體，在三維材料的“高速公路”上，一束光完美地跑出了“Z”字形。相關(guān)論文于近日發(fā)表在《自然》雜志上。

假如光像流水，就會(huì)發(fā)生隱形奇跡

光線繞彎會(huì)發(fā)生許多有趣的現(xiàn)象，隱身衣就是其中一例。論文共同通訊作者、浙江大學(xué)教授陳紅勝等曾在2013年制造出一種可見光波段的隱形器件，讓金魚、貓等動(dòng)物在眼前遁形。

“我們能讓光像流水一樣，在物體表面不發(fā)生散射，而像溪水流經(jīng)石頭，順著石頭的形狀繞過去，繼續(xù)按照原來的傳播方向前進(jìn)。”陳紅勝介紹，沒有散射光的情況下，人眼就識(shí)別不出物體了。

在科學(xué)家希望隱形的名單中，材料的雜質(zhì)、缺陷占據(jù)著重要位置。電磁波在光波導(dǎo)或者在介質(zhì)交界面?zhèn)鞑r(shí)，“途中”遇到的雜質(zhì)、缺陷，都能讓電磁波發(fā)生散射，導(dǎo)致傳輸效率下降。“如果能設(shè)計(jì)出一種新型波導(dǎo)，讓這些散射因素‘隱形’，將大大提升傳輸效率，在未來會(huì)有重大的應(yīng)用前景。”陳紅勝說。

在很多器件中，電磁波必須繞著彎走。“在目前的技術(shù)體系中，一旦轉(zhuǎn)彎幅度大，電磁波就會(huì)發(fā)生散射，影響傳輸效率。轉(zhuǎn)彎幅度小，就不利于節(jié)省空間。”一位從事電磁波研究的科學(xué)家認(rèn)為，這是實(shí)現(xiàn)未來光子芯片的一項(xiàng)巨大挑戰(zhàn)。“我們希望‘急轉(zhuǎn)彎’的時(shí)候，也不發(fā)生散射。”

從電子到光子，研究一直在進(jìn)步

論文第一作者、浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)院楊怡豪博士說，凝聚態(tài)物理的熱門材料——拓?fù)浣^緣體是這項(xiàng)研究的靈感之源。拓?fù)浣^緣體是一種表面導(dǎo)電、內(nèi)部絕緣的材料，它能讓電子繞著材料表面?zhèn)鬏?，而在材料?nèi)部卻“禁止通行”。

著名科學(xué)家張首晟在向公眾介紹拓?fù)浣^緣體時(shí)，曾以“高速公路”作比喻：電子在芯片里的運(yùn)動(dòng)，就像一輛輛跑車在集市里行駛，不斷地碰撞，產(chǎn)生熱量。而拓?fù)浣^緣體好似為電子建立了高速公路，讓電子在一條條“單向車道”上運(yùn)行。

電子的“高速公路”，光子能跑嗎?2005年，普林斯頓大學(xué)的鄧肯·霍爾丹(2016年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主)進(jìn)行了一項(xiàng)理論實(shí)驗(yàn)，試圖將拓?fù)浣^緣體的理論拓展到光學(xué)體系，直至2008年光學(xué)拓?fù)浣^緣體的理論才正式問世。

2009年，麻省理工學(xué)院科學(xué)家首次通過實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了二維光學(xué)拓?fù)浣^緣體，開啟了光學(xué)拓?fù)浣^緣體的實(shí)驗(yàn)研究。

當(dāng)前，關(guān)于光學(xué)拓?fù)浣^緣體的實(shí)驗(yàn)研究仍局限在二維材料。2017年，紐約城市大學(xué)的亞歷山大教授團(tuán)隊(duì)提出了無磁性材料的三維光學(xué)拓?fù)浣^緣體的設(shè)計(jì)理論。“我們關(guān)注到了這項(xiàng)工作，但其參數(shù)十分苛刻。”楊怡豪說。

浙江大學(xué)和新加坡南洋理工大學(xué)聯(lián)合課題組開始嘗試搭建新型的實(shí)驗(yàn)體系，這是科學(xué)界首次嘗試用實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)光學(xué)三維拓?fù)浣^緣體。

“電子芯片的發(fā)熱問題，拓?fù)浣^緣體給出了很好的解決方案;光子芯片的信息耗散問題，科學(xué)家希望通過光學(xué)拓?fù)浣^緣體給出方案。”楊怡豪說。

建“Z”形高速路，讓光子拐彎“奔跑”

從電子體系到光子體系，從二維到三維，研究對象存在許多本質(zhì)區(qū)別，實(shí)驗(yàn)遇到了前所未有的困難。一開始，他們甚至沒有現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)設(shè)備去測量。

楊怡豪巧妙地設(shè)計(jì)出一種由多個(gè)開口諧振器構(gòu)成的單元結(jié)構(gòu)。“這是‘高速公路’的路基，也是實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵。”陳紅勝說。最終，聯(lián)合課題組首次實(shí)現(xiàn)了三維光學(xué)拓?fù)浣^緣體，它具有寬頻帶拓?fù)淠芟丁?/p>

三維世界光子的“高速公路”，是“Z”字形的。表面波在界面?zhèn)鞑r(shí)，能夠無障礙地繞過Z形拐角。“通過對材料內(nèi)部及表面電磁場分布成像，我們觀測到了該材料的三維能隙，以及具有二維狄拉克錐形式的表面態(tài)——這些正是三維光學(xué)拓?fù)浣^緣體的關(guān)鍵特征。”楊怡豪說。

“對表面波來說，這些拐角就像被隱形一樣，而能夠繞過拐角實(shí)現(xiàn)高效傳播，這正是受益于三維光學(xué)拓?fù)浣^緣體的拓?fù)浔Ｗo(hù)特性。”陳紅勝說。這便是“光子高速公路”的神奇之處。“在這條高速公路上，無論道路多么曲折，光子都能一往無前。”楊怡豪表示，這就能避免光發(fā)生散射導(dǎo)致信息耗散的問題。

“我們的工作首次賦予了三維光子帶隙以拓?fù)湫再|(zhì)，也就是說，將來可以像三維拓?fù)浣^緣體控制電子一樣，用三維拓?fù)涔庾泳w來控制光子。”合作研究者、新加坡南洋理工大學(xué)張柏樂教授說。

陳紅勝認(rèn)為，這項(xiàng)研究首次將三維拓?fù)浣^緣體從費(fèi)米子體系擴(kuò)展到了玻色子體系，并可能應(yīng)用于三維拓?fù)涔鈱W(xué)集成電路、拓?fù)洳▽?dǎo)、光學(xué)延遲線、拓?fù)浼す馄饕约捌渌砻骐姶挪ǖ恼{(diào)控器件等。