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光子超晶体问世,连接灯光就能高速上网

北极蚊子 2017-6-2 18:17

早在2014年,科研人员就从理论上预测了一种新型材料的存在。这种材料非常奇怪,在光和物质之间相互作用时,拥有与以往的材料完全不同的性质。而现在,这种被称作光子超晶体材料已经成为现实。

纽约市立大学(CCNY)的科研人员说他们确实已经制备出来一些晶体,而且这些材料可能将在光技术应用等领域引发巨大的变化,比如太阳能电池和可见光通信。Li-Fi(Light Fidelity)是一种利用LED发出的可见光实现通信传输(本质上这种通信方式工作模式和Wi-Fi一样,但是用的是光信号而非无线电波信号)和量子信息处理的技术。

在《美国科学院学报》(PNAS) 刊登的研究中,研究人员证明了光子超晶体能够很好地控制光子传输和禁闭。

光子超晶体材料的细节图片来源:美国国家科学院

一般而言,光子晶体和超材料——一种以操纵光致使物体“隐身”能力闻名的材料——已经可以控制光子的传播。但是,这些新型光子超晶体能够进一步克服超材料和光子晶体共同的缺点,即带宽受限和光发射不良。

光子超晶体从两个途径加强对光的控制。将入射光困在材料内部、使其停留时间足够长从而和物质更多地发生相互作用。这一方法可以显著地提高太阳能电池效率。而且主持该研究的CCNY物理学教授Vinod M. Menon在采访时说,“超晶体材料显著地增加其内部可见光和物质(比如量子点)相互作用的强度,对涵盖单光子源的光发射和光捕集极为有利”。与此同样重要的,Menon补充道,是宽带效应。

Menon说,虽然光子超晶体拥有光子晶体结构和超材料组分,但是它们和这两种材料截然不同。超晶体和光子晶体有显著区别,Menon说,因为两种材料所涉及的尺度“周期”不同。周期指介质中一个粒子完成一个完整振动周期的时间。而被称作晶胞的晶体重复结构是亚波长。它们也不是标准的超材料,因为它们的电磁响应从本质上就和超材料不一样。超材料的电磁响应是基于亚波长晶胞平均极化水平的。

“这些根本的差异致使在实验中可以观察到它们大量非凡的电磁特性,甚至可能应用于实际的器件中,”Menon解释说,“这些包括自发发射与光耦和的宽带增强,这是超材料和光子晶体都从未同时展现过的现象”。

未来光子超晶体突出的应用之一或许就是Li-Fi技术。之所以能够成为这项技术的关键,就在于这种材料可以支撑起LED灯非常迅速的明暗切换明暗。Menon认为这些光子超晶体能够合并到二极管快速直接调制的架构中。

当然,集成超晶体器件架构的设计仍然是将这种材料应用于LED这类产品中的关键工程技术难题之一。Menon说这是CCNY团队现在正在努力攻克的方向。

最后,Menon还说,“我们正在研究集成了超晶体的单光子发射器,以及它在近红外和中红外中通讯中的高效结构”。

原文链接:

http://spectrum.ieee.org/nanoclast/semiconductors/materials/photonic-hypercrystals-are-now-a-reality-and-light-will-never-be-the-same

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