让光在变形的光子晶体中静止不动

AMOLF的研究人员与代尔夫特理工大学（Delft University of Technology）合作，通过使包含光波的二维光子晶体变形，成功地使光波停止。研究人员的研究表明，即使是微小的变形也会对晶体中的光子产生实质性影响。这类似于磁场对电子的影响。

AMOLF小组负责人Ewold Verhagen说：“这一原理提供了一种减缓光场从而增强其强度的新方法。在芯片上实现这一点对于许多应用来说尤为重要"。

研究人员在《自然·光子学》（Nature Photonics）杂志上发表了他们的研究成果。与此同时，宾夕法尼亚州立大学的一个研究小组也在同一杂志上发表了一篇文章，介绍了他们是如何独立于荷兰研究小组展示相同效果的。

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光子晶体的电子显微镜图像。三角形孔的直径为300纳米。晶体阵列的曲率阻止了晶体中的光波移动。

在小尺度上操纵材料中的光流有利于纳米光子芯片的开发。对于电子来说，这种操纵可以通过磁场来实现；洛伦兹力可以引导电子运动。然而，这对光子来说是不可能的，因为它们不带电荷。

AMOLF 的光子力小组的研究人员正在寻找技术和材料，使他们能够对光子施加类似磁场效应的力。

电子

Verhagen说：“我们从电子在材料中的行为方式中寻找灵感。在导体中，电子原则上可以自由移动，但外部磁场可以阻止电子移动。磁场造成的圆周运动阻止了传导，因此电子只有在具有非常特殊的能量时才能在材料中存在。这些能级被称为朗道能级，是电子在磁场中的特征。但是，在二维材料石墨烯（由排列在晶体中的单层碳原子组成）中，这些朗道能级也可以由与磁场不同的机制引起。一般来说，石墨烯是一种良好的电子导体，但当晶体阵列发生变形时，例如像拉伸橡皮筋那样拉伸时，情况就会发生变化。这种机械变形会阻止传导；材料会变成绝缘体，电子因此会被束缚在朗道水平上。因此，即使没有磁铁，石墨烯的变形对材料中电子的影响也与磁场类似。我们问自己，类似的方法是否也适用于光子？”

光子晶体

在与代尔夫特理工大学的 Kobus Kuipers 的合作中，维尔哈根的研究小组确实在光子晶体中证明了类似的光效应。

第一作者勒内-巴尔茨克（René Barczyk）说：“光子晶体通常由硅层中的规则二维孔洞组成。光可以在这种材料中自由移动，就像石墨烯中的电子一样"，他在 2023 年成功通过了关于这一主题的博士论文答辩。“以正确的方式打破这种规律性将使阵列变形，从而锁定光子。这就是我们为光子创造朗道水平的方法”。

在朗道水平中，光波不再移动；它们不会在晶体中流动，而是静止不动。研究人员成功地证明了这一点，表明晶体阵列的变形对光子的影响类似于磁场对电子的影响。

Verhagen说："通过对变形模式的研究，我们甚至能够在一种材料中建立各种类型的有效磁场。因此，光子可以穿过材料的某些部分，但不能在其他部分移动。因此，这些见解也为在芯片上引导光线提供了新的方法”。

同步实验

Verhagen和他的团队的工作受到了宾夕法尼亚州立大学和哥伦比亚大学研究人员理论预测的启发。Verhagen回忆说："当我们进行第一次测量时，我碰巧与另一项研究的作者之一交谈。当发现他们也在寻找这种效应的实验证据时，我们决定不争先发表，而是同时向出版商提交工作。”

虽然方法中的一些细节有所不同，但两个团队都能通过使二维光子晶体变形来阻止光波移动并观察朗道水平。

Verhagen说：”这使芯片上的应用更近了一步。如果我们能将光限制在纳米尺度并使其停止，那么光的强度将大大增强。而且不仅仅是在一个位置，而是在整个晶体表面。这种光的集中在纳米光子设备中非常重要，例如用于开发高效激光器或量子光源。”

相关链接：https://phys.org/news/2024-04-deformed-crystal.html