光可以在纳米装置中无限快传播？

时间:2012-12-03 11:28 来源:环球科学（huanqiukexue.com）

在纳米尺度的器件内，可见光会通过一种方式无限快地传播。这个小发明不会导致即时通讯——著名的爱因斯坦的相对论里面的速度限制仍然有效，但是它可以有各种应用，包括组成光学通路的一个元件。

“证明这么一件事情不仅非常有趣而且还很有用，”蔡文山说道，他是美国亚特兰大乔治亚理工学院的一名电气工程师，他倒没有参与该工作。

在真空里面，光速总是为300 000 000 m/s，而在诸如玻璃的材料中，光的传播速度则变慢。光在真空和介质的速率比定义为材料的“折射率”（明显它比1大）。然而，科学家开始以另类的方法操作光和材料的相互作用来调整折射率，比如得到负的折射率，这能导致光的反常弯曲。

现在，阿尔伯特•波尔曼（Albert Polman）（来自阿姆斯特丹原子和分子物理研究所的物理学家）和纳德•恩亥塔（Nader Engheta）（宾夕法尼亚大学电气工程师）以及同事已经取得了一定成就。他们发展了一种折射率为零的小设备，这样的话特定波长的光波能无限快地传播。

这种设备包括一个85纳米厚，2 000纳米长的矩形状绝缘体二氧化硅，其周围涂有不能透光的导电银。这就是被称为“波导”的传输光的小室。研究者做成了各种二氧化硅设备，宽度从120到400纳米不等，就像他在发表在PRL上的论文报道的一样。

光在这种“波导”中传播行为会反常，因为电磁场会在设备的不同边上遵循设定的“边界条件”。短波光会在波导的两端来回震荡。光波的波峰和波谷重叠产生出明暗带的花样，这种花样类似环形管风琴产生的压力图样。在此波长以上光波，则一点也不会传播。

恰好在此临界波长时，情况开始变得有趣。不是产生带状花样，而是整个波导点亮。这意味着光波不是同等间隔的波峰或相位波前（phase fronts），而好像是波峰同时在所有地方无限快地传播。因为光沿着波导的长度同步震荡。

恩亥塔和公司先前已经生产出适用于微波的(更长波长辐射)零折射率设备。在可见光范围内做出这种设备更难，因为新设备会变得更小以至于没有光源。然而，研究者通过轰击一束电子在波导中产生各个波长的光，并测试光的流出量，在特定波长的光的照耀量依赖于电子束是否达到一个点，这个点就是在这种波长下的暗的或者亮的斑点。通过观察沿着波导的束和监测流出量，研究者追踪各个波长的光斑。香港科技大学的物理学家陈子亭说：“这是性质最好的纳米设备。”

那么如何能让光波同时在所有地方不违背相对论？恩亥塔解释道，光有两个速度。“相速”描述了一个特定波长的波的移动速度，“群速”描述了光传播能量和信息的速度。只有群速必须维持在低于真空光速下，恩亥塔说，在波导里面，它就是这样。

恩亥塔说，这种设备有大量的应用。因为从波导流出的光是同时进行的，所以波导可能弯曲形成能发射修饰了的前相位光波的天线。这也可能帮助科学家制造出想要的纳米尺度光通路的导管。

这种波导阵列甚至可能会制造出零折射率的块体材料。但是组装这种阵列将会有非常大的挑战，蔡文山说：“理论上容易，实验上却很难。”

（环球科学黄晓强）