光子超晶體問世，連接燈光就能高速上網

撰文 | Dexter Johnson

翻譯 | 趙小娜

審校 | 楊玉潔

早在2014年，科研人員就從理論上預測了一種新型材料的存在。這種材料非常奇怪，在光和物質之間相互作用時，擁有與以往的材料完全不同的性質。而現在，這種被稱作光子超晶體材料已經成為現實。

紐約市立大學（CCNY）的科研人員說他們確實已經製備出來一些晶體，而且這些材料可能將在光技術應用等領域引發巨大的變化，比如太陽能電池和可見光通信。Li-Fi（Light Fidelity）是一種利用LED發出的可見光實現通信傳輸（本質上這種通信方式工作模式和Wi-Fi一樣，但是用的是光信號而非無線電波信號）和量子信息處理的技術。

在《美國科學院學報》(PNAS) 刊登的研究中，研究人員證明了光子超晶體能夠很好地控制光子傳輸和禁閉。

光子超晶體材料的細節

圖片來源：美國國家科學院

一般而言，光子晶體和超材料——一種以操縱光致使物體「隱身」能力聞名的材料——已經可以控制光子的傳播。但是，這些新型光子超晶體能夠進一步克服超材料和光子晶體共同的缺點，即帶寬受限和光發射不良。

光子超晶體從兩個途徑加強對光的控制。將入射光困在材料內部、使其停留時間足夠長從而和物質更多地發生相互作用。這一方法可以顯著地提高太陽能電池效率。而且主持該研究的CCNY物理學教授Vinod M. Menon在採訪時說，「超晶體材料顯著地增加其內部可見光和物質（比如量子點）相互作用的強度，對涵蓋單光子源的光發射和光捕集極為有利」。與此同樣重要的，Menon補充道，是寬頻效應。

Menon說，雖然光子超晶體擁有光子晶體結構和超材料組分，但是它們和這兩種材料截然不同。超晶體和光子晶體有顯著區別，Menon說，因為兩種材料所涉及的尺度「周期」不同。周期指介質中一個粒子完成一個完整振動周期的時間。而被稱作晶胞的晶體重複結構是亞波長。它們也不是標準的超材料，因為它們的電磁響應從本質上就和超材料不一樣。超材料的電磁響應是基於亞波長晶胞平均極化水平的。

「這些根本的差異致使在實驗中可以觀察到它們大量非凡的電磁特性，甚至可能應用於實際的器件中，」Menon解釋說，「這些包括自發發射與光耦和的寬頻增強，這是超材料和光子晶體都從未同時展現過的現象」。

未來光子超晶體突出的應用之一或許就是Li-Fi技術。之所以能夠成為這項技術的關鍵，就在於這種材料可以支撐起LED燈非常迅速的明暗切換明暗。Menon認為這些光子超晶體能夠合并到二極體快速直接調製的架構中。

當然，集成超晶體器件架構的設計仍然是將這種材料應用於LED這類產品中的關鍵工程技術難題之一。Menon說這是CCNY團隊現在正在努力攻克的方向。

最後，Menon還說，「我們正在研究集成了超晶體的單光子發射器，以及它在近紅外和中紅外中通訊中的高效結構」。

http://spectrum.ieee.org/nanoclast/semiconductors/materials/photonic-hypercrystals-are-now-a-reality-and-light-will-never-be-the-same

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