供圖：Kanté Group,，加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校
一種新型的激光腔（laser cavity）能夠被做成任何形狀，并通過磁場來改變光的流動，這個新技術(shù)是基于一項獲得了諾貝爾物理學(xué)獎的研究。
“利用光來做的這件事的前景令人激動”，加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校（the University of California, San Diego）的物理學(xué)家Boubacar Kante這樣說道。Kante和他的同事們在近期的《科學(xué)》雜志上描述了他們所說的“拓?fù)淝?rdquo;（topological cavities）。
通常，一個用于放大光線的激光腔會被制成環(huán)形。如果在上面有尖角，部分光線就會丟失，而且激光也無法工作。而環(huán)形的激光腔帶來的結(jié)果是，如果工程師想要在一塊芯片上放置許多的激光器——比如用于光學(xué)通信和計算，那么環(huán)之間將會有大量浪費(fèi)了的可用空間。
Kante的小組通過研發(fā)一種拓?fù)淝唤Y(jié)構(gòu)來克服了這個形狀上的局限。他們把量子阱（形成激光的部分）構(gòu)建在磷化砷鎵銦（indium gallium arsenide phosphide，譯者注：電注入式半導(dǎo)體激光器材料）的外側(cè)。并將這些放置在由釔鐵石榴石（yttrium iron garnet，譯者注：固體激光器材料）制作的光子晶體內(nèi)。一個光子晶體的晶體結(jié)構(gòu)尺寸與通過的光線波長相等，這種結(jié)構(gòu)像一面鏡子一樣使光線按照特定的方向傳播。
在這種情況下，研究人員制作了兩種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的光子晶體。其中一種有一個置于方形晶格里的星形晶胞（unit cell，重復(fù)存在以形成晶體結(jié)構(gòu)的基本晶體形狀）；另一種則是有圓柱形氣孔的三角形晶格。Kante把它們分別比作百吉餅和椒鹽卷餅，雖然它們本質(zhì)上都是帶孔的面包，但是不同數(shù)量的孔意味著它們在根本上是不同的形狀。
在Kante的系統(tǒng)中，一個光子晶體位于另一個不同的光子晶體中，而兩種不同晶體接觸形成的界面就是激光腔。他說：“這個界面可以做成你想要的任何形狀”。
隨著晶體的就位，Kante接下來在上面施加磁場，這就使系統(tǒng)變成了一種拓?fù)浣^緣體（topological insulator）的光學(xué)等價物，拓?fù)浣^緣體內(nèi)部由絕緣材料構(gòu)成，但電能沿著材料的表面?zhèn)鲗?dǎo)。2016年的諾貝爾物理學(xué)獎就頒發(fā)給了為拓?fù)浣^緣體的發(fā)明奠定了基礎(chǔ)的科學(xué)家，但之前研發(fā)的器件主要關(guān)注點(diǎn)在電流方面。在一個光子晶體拓?fù)浣^緣體中，光線的流動被約束在晶體結(jié)構(gòu)接觸的表面。改變磁場信號就能改變光線發(fā)射的方向。
這個新設(shè)備的直接應(yīng)用價值，是工程師能在一塊芯片內(nèi)更加密集地安置激光器，從而使得光通信變得更加高速。而擁有新的控制光線的技術(shù)最終可能幫助我們研發(fā)新型的光子器件，并為全光學(xué)計算機(jī)的產(chǎn)生鋪平道路，全光學(xué)計算機(jī)將比現(xiàn)在的計算機(jī)更快、更節(jié)能。
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