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《自然》杂志在线发布上海交大成果 将有望替代光纤


2019-12-22 12:20:56
叶芳伟家中,厨房里有两扇纱窗,把它们移在一起,重叠时就出现明暗相间的条纹。这种在科学上被称为“莫尔条纹”的现象很常见,但促使中国科学家格物致知,发明出世界上首个光学莫尔材料,在图像传输、信息处理方面有望替代光纤作用。北京时间19日凌晨,国际顶尖学刊《自然》杂志先期在线发表上海交通大学物理与天文学院叶芳伟课题组与陈险峰课题组合作的最新成果《光学莫尔晶格中的光局域与非局域》。经过3年实验,理论得以验证,他们发现一个神奇的魔性角度控光,可以确保讯息传送全程保真。

  生活中,不管是声波、水波,还是电磁波、引力波,散开是各类波的普遍特性。叶芳伟告诉记者,但很多情况下,人们并不希望“散光”而希望“聚光”,因此如何让波“局域”、把光“锁定”是一个很重要的科学问题。“一加一大于二”,这时纱窗重合产生的莫尔条纹带来灵感。作为论文第一作者,叶芳伟课题组的博士生王鹏用两把梳子叠合,彼此之间转过一定角度,展示莫尔条纹的明暗变化。事实上,“莫尔”据信是一种丝织品的拉丁名,随着视线角度变化,也会形成明暗条纹。

  明就是光的扩散,暗不就是光的锁定吗?课题组探索在微观结构上制作“纱窗效应”:利用光学诱导办法,将两个具有规律性结构的微米级莫尔晶格,刻写到同一块晶体材料中,得到了第一个连续可调的光子莫尔晶格。通过大量数值模拟和实验证实——两个方形晶格叠加,旋转一定角度后:当转角是36度时,光束始终被局域在晶格中某处;而当转角到36.8度时,则失去魔性,光束很快在晶格中散开。

  也就是说,通过莫尔转角的简单调节,光子可自由地从“静止”转为“运动”,也可从“缓慢”运动转为高速“运动”,动静皆宜、快慢自如。叶芳伟认为,光学领域的莫尔晶格材料为未来的光束控制、图像传输、信息处理提供了更加易行的手段,也为研究低功率下的非线性光学提供了易于执行的平台。这意味着,光信号从A点到B点,哪怕相隔千万里,都能从锁定瞬间变为释放状态,实现毫不失真。在此意义上,这种材料不仅可取代光纤,而且“可以同时传出100路信号,却不需要100根光纤。”

  有意思的是,他们发现光子在莫尔晶格中的局域,以及特殊莫尔角下的散开,是一种广泛存在的共性。“理论上,声波也可经由这样的材料高保真、无扩散传播。”叶芳伟表示,反过来说,用声学莫尔材料,换角度地收音扩音,“可以一个人说活,身边其他人都听不到;也可以从万籁俱寂,一下子甚嚣尘上。”

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