合肥研究院在多孔氧化铝光子晶体研究中取得系列进展

在多孔氧化铝光子晶体中观察到法诺共振现象，为在新的光学器件中将法诺共振整合到多孔氧化铝光子晶体中以获得更多的潜在应用提供帮助。众所周知，杨氏双缝实验出现的干涉条纹开启了光学的新篇章。同样基于干涉原理，1903年法诺(Ugo Fano)发现的分立态与连续态间的相互作用后来被称作以他名字命名的物理现象——法诺共振(Fano resonance)，其最典型的特征是干涉后出现不对称的线型。法诺共振是一种普遍的物理现象，人们已经在多个领域观察到法诺共振现象。然而，在光子晶体中很难观察到法诺共振现象，这主要是由于光子晶体中的连续态光散射不明显，并且光子带隙比较宽，整个光子晶体中没有表现出很典型的分立态。多孔氧化铝光子晶体是一种纳米尺度周期性的孔结构，这种结构对入射光会产生瑞利散射，同时周期性结构也会对某些光产生强的布拉格散射，这两种光的散射态在一定的范围内将会产生相互作用。他们利用布拉格光散射的窄带隙(最窄处的半高宽为8nm)与多孔材料对光的瑞利散射之间的相互干涉，在多孔氧化铝光子晶体中观察到了不对称性线型，并且通过理论计算确定了这一非对称线型来源于法诺共振(Sci. Rep. 2014, 4, 3601)，在这种材料结构体系中并未见到过相关的前期报道。这一发现有利于进一步理解多孔氧化铝光子晶体中光与物质的相互作用，由于法诺共振展现出在窄的波长范围内光由透过到光截止，使其成为一种非常好的光学开关等光子器件。同时，该研究对未来在新的光学器件中将法诺共振整合在多孔氧化铝光子晶体中以获得更多的潜在应用提供了帮助。

图3 异质结构多孔氧化铝光子晶体正反照片，对应的上、下两照片为同一样品 

图4 异质结构多孔氧化铝光子晶体不平衡光传输示意图

实现了单向光传输，为方向依赖性光子器件的潜在应用提供基础。单向光传输，顾名思义，是指光经过物体时只能往一个方向传输。由于瑞利散射的存在，光通过多孔氧化铝光子晶体时，会产生光损失，而光经过的路程不同，这种损失就会不同。利用这一性质，他们制备了异质结构的光子晶体，实现了单向光传输(Unidirectional Light Propagation)。对于从样品两侧入射的光而言，进入样品的深度不同，导致光损失不同，从而使得样品从两侧观察时的颜色不同。通过调制多种光子晶体组合，实现了可见光范围全覆盖的单向光传输的样品(Ann. Phys. DOI: 10.1002/andp.201500286)。这为单向光传输提供一种简单可行的方法，这种方法仅需要在体系中引入能量损失。类似于二极管在电学领域的应用，所制备的具有单向光传输的光子晶体可以应用于方向依赖的光子器件。由于文章中展示的单向光传输可以应用于光单向导通器件等方面，以及将来在集成光子芯片中的潜在应用，文章已经受约为《物理年鉴》(Ann. Phys.)杂志的封面文章。