超材料扭转光线

戴维?鲍威尔（David Powell）用于扭曲光线的装置。（图片来源：澳大利亚国立大学）

 

该发现的灵感来自于研究人员对洗衣篮的无意一瞥，它利用了一种叫做超材料（metamaterials）的新型人造材料。这些人工材料具有异于天然材料的超凡特性。

 

澳大利亚国立大学（Australian National University，ANU）的科学家们发现了可以随意扭曲光线的方法。作为光子学的最新技术，其高效、低碳的特质或将使其成为电子行业的下一代明星。

 

该发现的灵感来自于研究人员对洗衣篮的无意一瞥，它利用了一种叫做超材料（metamaterials）的新型人造材料。这些人工材料具有异于天然材料的超凡特性。

 

“我们的材料可以让光线发生扭曲，也就是扭转了光的偏振面，而且其变化的数量级是天然材料无法相比的，”作为该论文主要作者，ANU物理工程研究生院（RSPE）的博士生刘明凯（Mingkai Liu）说，“并且我们能够直接将扭曲的效果用光线呈现出来。”

 

电子产品的碳排放约占全球总量的2%，光学的发展有希望将这个数字进一步拉低。当前，光纤传输的光信号已经取代了长距离的电信传输。下一步将研制出取代电子计算机芯片的光学处理器，这需要主动控制光的不同特性，例如调控光的偏振态。

 

正如该实验中所用的，这种材料的偏振旋转能力是基于分子的不对称性。这同样发生在天然矿物质和材料中。例如糖是非对称结构，因此偏振旋转可以用来测量糖的浓度，这在糖尿病研究中至关重要。

 

然而，超材料的这些非凡特性可能被率先使用在新兴的光电领域。同样来自RSPE的论文共同作者戴维?鲍威尔（David Powell）博士如是说。

 

“这是一个全新的光信息处理技术，”他说。“这些材料制成的薄片可以取代笨重的反射镜和透镜系统。如此带来的小型化或许可以创新出更多微型光电设备，例如光学晶体管。”

 

超材料是由特殊形状的微小金属构成的，我们称这种人造结构为“中继原子”（meta-atoms）。为了实现光的旋转，刘明凯博士及其同事利用了一对C形中继原子，其中一个通过细线悬挂在另一个下方。当光线照在这对中继原子对时，下方的一个便开始旋转，整个系统便处于不对称状态。

 

刘明凯表示，“这个系统具有很高的响应性，因为让一个挂着的东西转起来很容易。”

 

他解释说，“我是某天在我的脏衣服里发现了一团线头，突然有了这个灵感。”当光线照射在实验室的中继原子结构时，它们发生了移动，这一现象为我们开拓了全新的思路。他表示，“因为光照影响了系统的对称性，所以我们仅仅利用光束便可以改变材料的反应。超材料的可调谐性对于下一步制造出基于这些人工材料的设备来说至关重要。”（翻译：檀泽浩  审校：王忻怡）

 

来源:澳大利亚国家大学

 

 

原文链接：http://www.sciencedaily.com/releases/2014/07/140718110449.htm