发布: 2007-11-15 14:39    作者: 任霄鹏编译    来源: 科学网

《自然》：为光数据的存储、传输和处理带来新希望

如何才能真正捕获光线？英国科学家的一项最新研究，从理论上提出了让光线减速到停滞的方法。相关论文发表在11月15日的《自然》杂志上。

图片说明：不同波长的光线能够被特殊波导的不同位置捕获，形成彩虹。
（图片来源：B. STAROSTA）

英国萨里大学（University of Surrey）的Ortwin Hess和同事提出，将两个“疯狂”的物理前沿研究领域——光速减慢技术和“超材料”（metamaterials）开发结合起来，可以得到一种材料，它能够将光线减速到极限。由于该材料同时能使多种频率的光线减速并获得“彩虹”，因此这项技术也被研究人员称为“捕获的彩虹”（trapped rainbow）。
 
组成光线的光子不带电荷，因此科学家无法像对电子那样对光子进行操控。到目前为止，要让光线减速需要巨大的设备产生超低温气云，它能够让光子停滞几微秒的时间。
 
在最新研究中，Hess等人模拟研究了一种特殊模式的光在穿过一种波导（waveguide，将光波引向特定方向的结构）时会受到怎样的影响。该波导由一种“三明治”结构材料构成，中央是负折射率材料，外面是两层正常材料。结果发现，该光波的波群速度（group velocity，不同频率的波的合成在介质中传播的速度）依赖于波导的厚度。通过数学上的透彻分析，Hess确认了这种关联性的存在。
 
如果事实果真如此，该发现意味着可以通过改变波导厚度来控制光线的波群速度。如果波导厚度恰好达到令波群速度为零的临界点，那么光线就会停下来。
 
毫无疑问，波导临界厚度是随着光线波长改变而改变的。研究人员提出，对日光来说，一个合适的楔形波导就能满足各种波长。波长较短的蓝光可以被波导较厚的地方捕获，波长较长的红光则由较薄的地方负责。研究人员表示，一个55微米长、厚度从0.8微米到1.4微米的楔形波导就可以实现“捕获彩虹”。
 
尽管这样一种材料听起来有些“科幻”，但奇异的“超材料”发现都是从一些看似不可思议的理论诞生出来的。比如，负折射率材料从提出到发现仅用了短短6个月的时间。Hess希望相同的事情也可以发生在“捕获彩虹”上，尽管他认为首个实现的设备应该对应的是波长更长的红外光波或者微波，因为它们需要的波导尺寸更大，更容易制造。
 
Hess认为，如果未来人们能够按意愿改变光速，光数据将更容易存储、传输和处理。当前利用光信号处理数据主要受到信号内容解译速度的限制，如果光线能够变慢，无疑能够在系统不超负荷的情况下，处理更多的信息。同时，目前的光信号传输方式并未利用光线带宽的巨大优势，因此，“捕获彩虹”将有望开创更加复杂和有效的数据传输方式。
 
（《自然》（Nature），450, 397-401（15 November 2007），Kosmas L. Tsakmakidis, Ortwin Hess）