去年，麻省理工学院的研究人员成功制成一种能够捕获光并使其停止传播的材料。如今，他们对这一过程有了更基础的认识。这项新研究有助于解释一些基本物理机制，并揭示这种行为与许多看似无关的其他现象相联系。
相关研究成果发表于期刊 《Physical Review Letters》的一篇论文。论文由麻省理工学院物理学教授Marin Soljačić、博士后Bo Zhen、Chia Wei Hsu和Ling Lu，以及耶鲁大学应用物理学教授Douglas Stone共同撰写。
通常，只有借助镜子或光子晶体等特殊材料，才能将光限制在一定范围内。这两种方法都会阻挡光束；去年发表的研究则展示了一种新方法：让光波抵消自身的辐射场。新研究表明，这种捕光过程涉及扭转光的偏振方向，其基础是一种涡旋——从龙卷风到水流旋入排水口，背后都是同一种现象。
除了揭示捕获光的作用机制外，新分析还表明，这种被捕获的状态比此前认为的稳定得多，因此更容易实现，也更难受到干扰。
“人们认为这种[被捕获的状态]非常脆弱，”Zhen说，“几乎不可能实现。但事实证明，它能够以稳健的方式存在。”
在大多数自然光中，偏振方向——可以理解为光波振动的方向——保持不变。偏振太阳镜正是基于这一原理工作：表面反射的光会选择性地偏向某个方向；随后，偏振滤光片只需以与该方向成直角的角度设置，就能挡住这束反射光。
Zhen说，但在这些捕光晶体中，进入材料的光会形成涡旋式偏振，偏振方向会随光束传播方向而变化。
Zhen说，由于涡旋中每一点的偏振都不同，中心处会形成一个奇点——也称为拓扑缺陷——从而将光捕获在该处。
Hsu说，这一现象使人们能够产生所谓的矢量光束，这是一种特殊的激光束，有望用于制造小型粒子加速器。这类装置可以利用矢量光束加速粒子并使它们相互碰撞，未来或许能让桌面设备完成如今需要在宽达数英里的环形隧道中才能进行的高能实验。
Soljačić说，这项发现还可能让超分辨率成像（采用一种称为受激发射损耗显微术的方法）更容易实现，并使人们能够通过单根光纤传输多得多的数据通道。
“这项研究很好地说明，即使是看似已经得到充分研究的物理系统，也可能蕴含丰富而未被发现的现象；只要找对切入点深入探究，就能将它们揭示出来。”新加坡南洋理工大学物理与应用物理学助理教授Yidong Chong说。他没有参与这项研究。
Chong说，这些令人惊讶的发现来自相对成熟的研究材料，十分引人注目。“研究对象是光子晶体薄板，自20世纪90年代以来，人们已经对这类材料进行了广泛的理论和实验分析，”他说。“该系统并不特殊，加之拓扑现象具有稳健性，这些因素应当让我们相信，这些模式不会只是
理论上的奇特现象，而是可以应用于微型激光器等技术。”
这项研究部分由美国陆军研究办公室通过麻省理工学院士兵纳米技术研究所提供支持，也获得了能源部和国家科学基金会的支持。
本文由 麻省理工学院新闻合作发布。本文的发布并不代表世界经济论坛认可其中的观点。
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作者：David L. Chandler是一名自由撰稿人和作家，自1975年以来一直报道科学领域。他目前担任加利福尼亚大学伯克利分校Bruce Mahan化学教授。
图片：2007年1月9日，台湾积体电路制造股份有限公司（TSMC）展示一片12英寸晶圆。REUTERS/Richard Chung。
