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探索把光“定住”的“魔法” 中國科學家發現莫爾晶格中波的演化規律

勵志人生網 2019-12-19 22:52 勵志人物 99次

  東方網記者傅文婧12月19日報道:當你說話時,周圍的人都聽到了你的聲音,這是聲波的擴散現象;當你丟一顆小石子到平靜的湖面,激起的漣漪會一圈一圈蕩漾開來,這是水波的擴散現象。實際上,各種波——不管是聲波、水波,還是電磁波、引力波、物質波等,總是傾向于向周圍擴散。因此,如何控制波的擴散成為了一個長期存在的重要科學命題。

  上海交通大學物理與天文學院葉芳偉課題組與陳險峰課題日前合作發布了最新研究成果,他們發現并揭示了一種新的波包局域機制,也可形象比喻為一種把波“定住”的方法。這種基于莫爾晶格的極平帶結構,具有重要的物理意義和廣泛的適用性。該研究成果于12月18日以《光子莫爾晶格中光的局域和非局域》(Localization and delocalization of light in photonic moiré lattices)為題在線發表于國際頂尖期刊《自然》。論文的第一作者是博士生王鵬和助理研究員鄭遠林。論文的合作者包括上海交通大學陳險峰教授、山西長治學院黃長明博士、 Dr Yaroslav Kartashov(俄羅斯), Prof Lluis Torner(西班牙)和 Prof Vladimir Konotop(葡萄牙)。葉芳偉教授為論文通訊作者,上海交通大學是論文的唯一通訊單位。

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水波、聲波……散開是各類波的普遍特性

  那么什么是莫爾晶格?其實在生活中經常可見。將兩個周期結構重疊在一起、并且彼此之間轉過一定的角度,人們會在其上看到明暗相間的條紋,這就是莫爾條紋。例如,拿起兩把梳子,將其重疊并相互轉過一個小角度,便能看到明暗相間的莫爾條紋——這可能是世界上最簡單的莫爾條紋。實際上,如果留心觀察,會看到莫爾條紋在藝術設計、紡織業、建筑學、圖像處理、測量學和干涉儀等方面都有一些獨特的應用。

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兩把梳子交錯可形成莫爾條紋

  “一加一”能夠大于二嗎?莫爾條紋就可以。從石墨中單獨取一層出來,就是大名鼎鼎的二維材料——石墨烯。而如果將兩層石墨烯堆疊而成的莫爾結構轉到某個特定角度下,就會魔幻般地呈現出超導性——這使得電流在其中流動時完全不會損耗。這種超導性在單層石墨烯中是不可想象的,而莫爾晶格則從根本上改變了材料的性質。

  隨著人們對各種各樣的莫爾結構展開研究,莫爾晶格呈現出的奇特物理性質還衍生出一門叫“扭曲學”的專門研究方向。但所謂的“波”在莫爾晶格中究竟是如何演化的,這一根本問題卻一直懸而未決。為此,研究人員利用光學誘導的辦法,將兩個周期晶格寫入到同一塊晶體中,得到了首個高度可調的光子莫爾晶格。借助于該莫爾晶格的連續可調性,并通過大量的數值模擬和實驗證實,葉偉芳課題組發現了波包在莫爾晶格中的演化規律:隨著兩個周期晶格的相對權重和它們之間相對轉角的變化,波包在莫爾晶格中演化時,出現了波形散開和局域的急劇變化。也就是說,光束能被莫爾晶格“控制住”。

探索把光“定住”的“魔法” 中國科學家發現莫爾晶格中波的演化規律

原理演示

  這種機制如何具體呈現呢?葉芳偉教授打了個比方。例如建造一個小屋,通過對聲波的控制,讓站在屋里的人聽不見周圍人的說話聲,又隨時可以通過控制技術,讓人聽見周圍的聲音。這種“一靜一鬧”的體驗,就能夠反映出波在莫爾晶格中的演化,而這種體驗也具有十足的趣味性。

  為什么光束能被莫爾晶格局域?王鵬介紹,通過嚴格的理論分析并輔助以大量的數值模擬,發現在一般情況下(除非莫爾轉角剛好落在某些離散的特殊角上),莫爾晶格對應的準能帶結構中各級能帶都是極平帶,因此光子在莫爾晶格里失去了動能——自然就無法擴散,只能局域。莫爾晶格中的局域和人們已知的其他環境下的局域在機制上完全不同,它代表了一種全新的局域方式。課題組還研究了其他形形色色的莫爾晶格,通過大量的測試,發現了光子在莫爾晶格中的局域以及特殊莫爾角下的散開其實是莫爾晶格的一種共性,廣泛存在著。

  光子莫爾晶格是由兩個方形晶格疊加且旋轉一定的角度后形成。當轉角是36.8度時,光束很快在晶格中散開,此時系統對應為“導電態”。當轉角是36度時,光束始終局域在晶格中某處此時則對應為“絕緣態”。

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