零索引波導：研究人員首次直接觀察無限長的波長

2015年， 哈佛約翰·保爾森工程與應用科學學院（SEAS）的研究人員開發了第一個折射率為零的片上超材料， 意味著光的相位可以無限延長。 超材料代表了一種操縱光的新方法， 並且是使用光而不是電子執行各種功能的集成光子電路的重要一步。 現在， SEAS的研究人員進一步推動了這項技術， 開發了一種與目前的矽光子技術相容的零折射率波導。 在這樣做的時候， 球隊觀察到一種通常不可觀察到的物理現象 - 一波光。

該研究發表在ACS Photonics。 哈佛技術開發局已經申請專利， 正在探索商業化的機會。

當光的波長通過材料移動時， 其波峰和波谷會被冷凝或拉伸， 這取決於材料的性質。 光波的凝聚多少表示為稱為折射率的比率 - 指數越高， 波長越小。

當折射率降低到零時， 光不再像移動波那樣行進， 在一系列波峰和穀中的空間中傳播， 否則稱為相位。 相反， 波浪被拉伸無限長，

創造了一個恒定的階段。 相位僅作為時間的變數而不是空間振盪。

這對於集成光子學是令人激動的， 因為大多數光學器件使用兩個或更多個波之間的相互作用， 當它們移動通過電路時， 它們需要同步地傳播。 如果波長是無限長的， 則匹配光的波長的相位不是問題， 因為光場在任何地方是相同的。

但是在2015年初期的突破之後， 研究團隊陷入了二十二分之一。 因為團隊使用棱鏡來測試晶片上的光線是否確實無限延伸， 所有的設備都是以棱鏡的形式建造的。 但棱鏡對於積體電路來說不是特別有用的形狀。 該團隊希望開發一種可以直接插入現有光子電路的器件， 因此最有用的形狀是直線或波導。

在採用紅外攝像機的15微米長的零折射率波導中， 即時， 未處理的駐波的視頻。 感知到的運動是由大氣擾動引起的， 這些纖維將光耦合到晶片上， 改變了兩個入射光束之間的相對相位。

由巴爾坎斯基物理學教授埃裡克·馬祖爾（Eric Mazur）領導的研究人員組建了一個波導，

但沒有棱鏡的幫助， 沒有簡單的方法來證明折射率為零。

然後， 博士後研究員Orad Reshef和Philip Camayd-Muñoz有一個想法。

通常， 光的波長太小， 振盪太快， 只能平均測量任何東西。 實際看到波長的唯一方法是組合兩個波來產生干擾。

想像一下吉他上的琴弦， 固定在兩邊。 當弦被拔出時， 波浪穿過琴弦， 擊中另一側的針， 並反射回來， 產生以相同頻率在相反方向上移動的兩個波。 這種干擾稱為駐波。

Reshef和Camayd-Muñoz對波導中的光應用了同樣的想法。 他們通過照射設備的相反方向照射光束來“固定”光， 以產生駐波。 單個波浪仍然快速振盪， 但是它們在相反的方向上以相同的頻率振盪， 這意味著在某些點， 它們彼此抵消， 並且將它們相加在一起， 產生全部亮或全部暗圖案。

而且， 由於零索引材料， 球隊能夠將波長拉伸到足夠大的距離來看待。

這可能是第一次有無限長波長的駐波被看到。

Reshef最近在渥太華大學接受了一個職位， 他表示：“我們能夠觀察到一個零零的指數。 “通過傳播這樣一個低折射率的介質， 這些波特徵通常太小而不能直接檢測， 這些波特徵被擴展， 所以你可以用普通的顯微鏡看到它們。 ”

Camayd-Muñoz說：“這為矽光子工具箱增加了重要的工具。 “零索引機制中有異國情調的物理學， 現在我們將其帶入集成光子學， 這是一個重要的步驟， 因為這意味著我們可以直接插入傳統的光學器件， 並為零索引現象找到真正的用途。 未來， 量子電腦可能基於通過光子通信的激發原子的網路， 原子的相互作用範圍大致等於光的波長，通過使波長較大，我們可以實現長距離相互作用來擴大量子設備。”

原子的相互作用範圍大致等於光的波長，通過使波長較大，我們可以實現長距離相互作用來擴大量子設備。”