美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的張翔（音譯）領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)日前出版的《科學(xué)》雜志撰文稱，他們制造出了全球首塊非線性零折射率超材料，通過這種材料的光在各個(gè)方向都會(huì)得到增強(qiáng)，有望為量子計(jì)算機(jī)快速提供多方向的光源，也可為量子網(wǎng)絡(luò)提供相互糾纏的光子，從而大大促進(jìn)量子網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。
超材料是指一些具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料，其獨(dú)特的光學(xué)屬性源于材料超晶格的物理結(jié)構(gòu)而非化學(xué)組成。使用超材料，張翔團(tuán)隊(duì)制造出了世界上第一款光學(xué)隱身斗篷；模擬了黑洞；并制造出了全球首塊等離子體納米激光器。
而在最新研究中，他們將關(guān)注點(diǎn)放在了超材料的非線性屬性上。張翔解釋道：“當(dāng)光之間的相互作用改變材料的屬性時(shí)出現(xiàn)的現(xiàn)象叫做非線性光學(xué)現(xiàn)象，其對(duì)材料科學(xué)、物理學(xué)以及化學(xué)來說非常重要。不同能量光子的聚合或分離能生成新的光源，是非線性光學(xué)的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一。”
科學(xué)家已經(jīng)證明，可以獲得折射率為零的超材料，讓光毫發(fā)無傷地通過，就像通過真空一樣�，F(xiàn)在，他們對(duì)這種超材料加以改進(jìn)，使其可以通過非線性過程來生產(chǎn)光。該超材料具有漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)，其由20個(gè)30納米厚的金薄層和50納米厚的氟化鎂薄層在一個(gè)50納米厚的氮化硅薄膜上輪流交替而組成。
該研究的主要作者之一海姆·薩克維斯基說：“我們使用四波混頻（三束光會(huì)同非線性媒介混合，制造出第四束光）技術(shù)對(duì)新研制的超材料進(jìn)行了測試，結(jié)果表明，不管光波在哪個(gè)方向產(chǎn)生，始終能保持其內(nèi)部的光學(xué)動(dòng)量守恒，實(shí)現(xiàn)了光和超材料的相互作用零相位失配，因?yàn)楦鱾�(gè)方向釋放出的非線性光完全相等。”
他解釋道：“在折射率為零的材料內(nèi)，光子的動(dòng)量為零，而且，任何方向的光子的混合都滿足動(dòng)量守恒定律，這就使非線性方法產(chǎn)生的光波能夠在向前和向后的方向上累積，從而實(shí)現(xiàn)高效的多方向釋放。這一方法除了可以產(chǎn)生相互糾纏的光子用于量子網(wǎng)絡(luò)之外，還可以產(chǎn)生用于遙感領(lǐng)域的雙向相干拉曼散射等效應(yīng)。”
密集激光同非線性材料之間相互作用，不同的相位可能導(dǎo)致相消干涉，因?yàn)楣庾又g缺乏光學(xué)動(dòng)量守恒，也就是所謂的“相位失配”。之所以要實(shí)現(xiàn)零“相位失配”，是因?yàn)樗沟梅蔷�性光學(xué)過程很難獲得并保持。自從非線性光學(xué)出現(xiàn)以來，在過去60年中，為了獲得相位匹配，科學(xué)家們研發(fā)出了各種技術(shù)來彌補(bǔ)動(dòng)量守恒的缺失，但所有這些技術(shù)都存在自身的局限。而此次新研制出的超材料正是解決了這一問題。
而在最新研究中，他們將關(guān)注點(diǎn)放在了超材料的非線性屬性上。張翔解釋道：“當(dāng)光之間的相互作用改變材料的屬性時(shí)出現(xiàn)的現(xiàn)象叫做非線性光學(xué)現(xiàn)象，其對(duì)材料科學(xué)、物理學(xué)以及化學(xué)來說非常重要。不同能量光子的聚合或分離能生成新的光源，是非線性光學(xué)的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一。”
科學(xué)家已經(jīng)證明，可以獲得折射率為零的超材料，讓光毫發(fā)無傷地通過，就像通過真空一樣�，F(xiàn)在，他們對(duì)這種超材料加以改進(jìn)，使其可以通過非線性過程來生產(chǎn)光。該超材料具有漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)，其由20個(gè)30納米厚的金薄層和50納米厚的氟化鎂薄層在一個(gè)50納米厚的氮化硅薄膜上輪流交替而組成。
該研究的主要作者之一海姆·薩克維斯基說：“我們使用四波混頻（三束光會(huì)同非線性媒介混合，制造出第四束光）技術(shù)對(duì)新研制的超材料進(jìn)行了測試，結(jié)果表明，不管光波在哪個(gè)方向產(chǎn)生，始終能保持其內(nèi)部的光學(xué)動(dòng)量守恒，實(shí)現(xiàn)了光和超材料的相互作用零相位失配，因?yàn)楦鱾�(gè)方向釋放出的非線性光完全相等。”
他解釋道：“在折射率為零的材料內(nèi)，光子的動(dòng)量為零，而且，任何方向的光子的混合都滿足動(dòng)量守恒定律，這就使非線性方法產(chǎn)生的光波能夠在向前和向后的方向上累積，從而實(shí)現(xiàn)高效的多方向釋放。這一方法除了可以產(chǎn)生相互糾纏的光子用于量子網(wǎng)絡(luò)之外，還可以產(chǎn)生用于遙感領(lǐng)域的雙向相干拉曼散射等效應(yīng)。”
密集激光同非線性材料之間相互作用，不同的相位可能導(dǎo)致相消干涉，因?yàn)楣庾又g缺乏光學(xué)動(dòng)量守恒，也就是所謂的“相位失配”。之所以要實(shí)現(xiàn)零“相位失配”，是因?yàn)樗沟梅蔷�性光學(xué)過程很難獲得并保持。自從非線性光學(xué)出現(xiàn)以來，在過去60年中，為了獲得相位匹配，科學(xué)家們研發(fā)出了各種技術(shù)來彌補(bǔ)動(dòng)量守恒的缺失，但所有這些技術(shù)都存在自身的局限。而此次新研制出的超材料正是解決了這一問題。
（來源：光學(xué)網(wǎng)）
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