科学家设计出零折射率超材料让光速在芯片上“无限大”

最近，美国哈佛大学科学家首次设计出一种折射率为零、能整合在芯片上的超材料，光在其中的速度可以达到“无限大”。这一成果为探索零折射率物理学及其在集成光学中的应用打开了大门。

这种零折射率材料由镀金硅柱阵列嵌入聚合物基阵构成，没有相推进，会产生静止相态，其波长可以看作是无限长。

听起来这好像违反了相对论法则，但实际上没有。宇宙中没什么东西能跑得比光快，但光还有另一种速度，即波峰运动的速度，称为相速度，这种光速快慢取决于光通过的材料。比如光通过水面时，相速度会因波长被挤压而变小，进入水中后，相速度会再变大，因为波长被拉伸。在介质中，用折射率来表示光波波峰的速度减慢，折射率越高，对光波衍射的干扰越大，如水的折射率约是1.3。

而在零折射率材料中，没有波峰波谷的相推进，这意味着光表现得不再像一种运动波，而是一种静止相，所有波峰波谷排成无限长的波长。波峰和波谷只作为一种时间上的变量，而不是空间。

光很难被挤压或操纵，而这种统一相态让光变得可以拉伸、挤压或扭曲而不会损失能量。把零折射率材料整合到芯片上，有望带来光明的应用前景，尤其是在量子计算领域。

据物理学家组织网报道，零折射率的超材料由镀金硅柱阵列嵌在聚合物基体中构成，能将硅波导与标准集成光子器件、芯片接口耦合在一起，让人们能在不同芯片之间操纵光，挤压、扭曲光线，甚至能把光束直径缩小到纳米级。该校约翰·波尔森工程与应用科学学院(SEAS)物理学与应用物理学教授埃里克·马祖尔说，这是控制光的一种很好的新方法。“这种芯片上超材料，为探索零折射率物理学及其在集成光学中的应用打开了大门。”

论文第一作者、马祖尔团队博士后研究员李扬(音译)说，在一般的硅波导中，光能约束软弱而无效，是集成光子电路的一大障碍，这种零折射率材料为在不同波导结构中约束电磁能量提供了一个解决方案。

相关论文发表在《自然—光子学》杂志上。