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如何實(shí)現(xiàn)光在納米甚至原子尺度上的精準(zhǔn)操控與高效傳播，一直是科學(xué)研究的前沿問(wèn)題。近日，來(lái)自上海交通大學(xué)、國(guó)家納米科學(xué)中心、東北師范大學(xué)與香港大學(xué)的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，提出了一種名為“聲子工程”的新策略，首次實(shí)現(xiàn)了超寬頻帶、幾乎無(wú)衍射的極化激元定向傳播。相關(guān)研究成果15日發(fā)表于《自然·納米技術(shù)》雜志。

所謂極化激元，是一種由光與物質(zhì)強(qiáng)烈相互作用形成的準(zhǔn)粒子。它能讓光被壓縮到極小的尺度進(jìn)行傳播，突破了傳統(tǒng)光學(xué)中“光無(wú)法聚焦得比其波長(zhǎng)更小”的衍射極限。這一特性使得極化激元在開(kāi)發(fā)超小型、超高速光子芯片中具有不可替代的價(jià)值。

然而，要將這一潛力轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)，首先必須解決一個(gè)核心難題：如何對(duì)極化激元進(jìn)行高效且靈活的控制。目前，該操控過(guò)程面臨兩大技術(shù)瓶頸。論文共同通訊作者、上海交通大學(xué)教授戴慶告訴記者：“首先是需要非常精確的‘動(dòng)量匹配’，就像兩列火車要完美同步才能對(duì)接；其次是材料衍射傳輸損耗大，信號(hào)容易‘掉鏈子’?！?/p>

研究團(tuán)隊(duì)獨(dú)辟蹊徑，提出“聲子工程”策略，不再依賴傳統(tǒng)復(fù)雜的材料界面或結(jié)構(gòu)改造，而是巧妙地利用某些晶體中特有的“原子層狀振動(dòng)”，也就是聲子各向異性，像調(diào)音一樣精細(xì)調(diào)節(jié)材料內(nèi)部的振動(dòng)模式，從而控制極化激元的行為。

更令人振奮的是，通過(guò)精準(zhǔn)調(diào)控各向異性聲子振動(dòng)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體材料中極化激元在帶寬、無(wú)衍射、零相位以及高定向傳輸?shù)汝P(guān)鍵特性上的全面調(diào)控?！斑@就相當(dāng)于給納米光路裝上了方向盤(pán)、油門(mén)和剎車，想讓它怎么走就怎么走，而且?guī)缀鯖](méi)有衍射損耗。”戴慶解釋。

“我們不再是被動(dòng)地尋找滿足動(dòng)量匹配的體系，而是主動(dòng)‘設(shè)計(jì)’出理想狀態(tài)。”論文共同通訊作者、上海交通大學(xué)副教授郭相東說(shuō)，“這為制造超緊湊、高性能的光子電路打開(kāi)了一扇全新的大門(mén)，也為納米光子學(xué)與集成光電子學(xué)的未來(lái)發(fā)展注入強(qiáng)大動(dòng)力。”

“‘聲子工程’調(diào)控策略不僅解決了極化激元控制中的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，還具有較強(qiáng)的通用性和靈活性?！贝鲬c說(shuō)，借助該技術(shù)，未來(lái)有望在指甲蓋大小芯片上集成強(qiáng)大的光子電路，推動(dòng)信息技術(shù)向更高速、更低功耗、更高密度方向發(fā)展。