液态光子晶体,煎锅上的量子仿真器

知道吗,当你在金属煎锅上涂上一层薄薄的油来准备食物时,一个可用于量子模拟器的光子晶体的制备工作便已完成了一半?

光子晶体——几十年前发现的由亚波长基本单元组成的周期性结构,彻底改变了人们对光与物质相互作用的理解,开辟了控制材料光学性质的新前沿。其中,光子晶体的动态调谐特性引起了科研人员的格外关注,因为它为研究光与物质相互作用产生的新效应创造了条件,为未来通过构建亚波长结构实现新功能带来了希望,也可能作为模拟量子效应的理想平台,从而克服了实际量子系统中难以实现的难题。目前,固体材料由于其结构稳定因而广泛的被用作构建光子晶体的材料,然而由光波诱导构建的液相光子晶体的相关研究还并不多见。

在题为Nonlinear, tunable, and active optical metasurface with liquid filmAdvanced Photonics论文中,加州大学圣地亚哥分校的Shimon Rubin团队利用液体薄膜与光学表面波之间的相互作用,实现了光子晶体特性的动态调谐。光学表面波,也就是光在金属表面激发的表面等离子体波(Surface Plasmons, SPs)。

研究人员研究发现,基于液态薄膜的表面张力特性,可以利用光学表面波的干涉效应构建出具有周期性形变的气液界面,从而实现周期性的折射率调制,从而构筑出液态光子晶体。该项研究表明,利用液体的柔性特征从而灵活改变光学表面波干涉的角度和强度,可以调控液态光子晶体的对称性。

不同于固态光子晶体,液态光子晶体中液相和气相之间的折射率差异很大并可灵活改变,因此这项研究很具有吸引力。此外,在存在增益介质(即能放大光信号的材料)的情况下,液态介质薄膜的周期性形变能够形成支持激光模式的谐振腔。通过改变光子液晶的对称性,从而控制激光模式的频率和发射方向。

由光学表面波模式(红色)干涉引起的表面张力效应导致液体薄膜变形来构建液态光子晶体(蓝色)的原理图。(a)表面等离激元(即在金属表面传播的光学表面波)的干涉效应构建的2D液态光子晶体、(b, c)基于光子平板波导模式(即在介质内传播的光学表面波)形成的悬浮式液态光子晶体和支撑式液态光子晶体。增益材料可以直接引入到液体中,也可以引入到(c)中描述的固体基底中。以固体介质壁为界的液体结构的侧向尺寸为dy和dz。(d - f) 在长度为dz的液体缝隙中由一对相反方向传播的表面等离激元(d)或平板波导模(e, f)诱导产生的一维光学液态晶格结构。

该项工作首次证明了光学表面波模式可以用于构建液态光子晶体,其研究成果可能为进一步实现液态光子晶体的实验设计提供启发,以探索液态光子晶体的非线性相互作用机制。由于光波在光子晶体中的传播与电子在原子晶体中的传播有相似之处,因此本研究中引入的可调谐液态光子晶体具有模拟量子效应的潜力,还可能用于研究具有挑战性的量子力学问题的可重构计算平台。

此外,这种新颖的可支持激光模式的诱导反馈机制,可实现基于薄膜的生物传感新型平台,将化学传输与可感知的内置检测方案结合起来。

有趣的是,由于油是不易挥发的液体,可以在金属表面形成稳定的液体薄膜,所以上述讨论表明,在普通的金属煎锅上构建量子仿真器是可以实现的。