【轉載】液態光子晶體，煎鍋上的量子仿真器

原文：Chris Lee；編譯：AP編輯部

審核：孫樹林，復旦大學

知道嗎，當你在金屬煎鍋上涂上一層薄薄的油來準備食物時，一個可用于量子模擬器的光子晶體的制備工作便已完成了一半？

光子晶體——幾十年前發現的由亞波長基本單元組成的周期性結構，徹底改變了人們對光與物質相互作用的理解，開辟了控制材料光學性質的新前沿。其中，光子晶體的動態調諧特性引起了科研人員的格外關注，因為它為研究光與物質相互作用產生的新效應創造了條件，為未來通過構建亞波長結構實現新功能帶來希望，也可能作為模擬量子效應的理想平臺，從而克服了實際量子系統中難以實現的難題。目前，固體材料由于其結構穩定因而廣泛的被用作構建光子晶體的材料，然而由光波誘導構建的液相光子晶體的相關研究還并不多見。

在題為Nonlinear, tunable, and active optical metasurface with liquid film 的Advanced Photonics論文中，加州大學圣地亞哥分校的Shimon Rubin團隊利用液體薄膜與光學表面波之間的相互作用，實現了光子晶體特性的動態調諧。光學表面波，也就是光在金屬表面激發的表面等離子體波（Surface Plasmons, SPs）。

研究人員發現，基于液態薄膜的表面張力特性，可以利用光學表面波的干涉效應構建出具有周期性形變的氣液界面，從而實現周期性的折射率調制，從而構筑出液態光子晶體。該項研究表明，利用液體的柔性特征，從而靈活改變光學表面波干涉的角度和強度，可以調控液態光子晶體的對稱性。

不同于固態光子晶體，液態光子晶體中液相和氣相之間的折射率差異很大并可靈活改變，因此這項研究很具有吸引力。此外，在存在增益介質(即能放大光信號的材料)的情況下，液態介質薄膜的周期性形變能夠形成支持激光模式的諧振腔。通過改變光子液晶的對稱性，從而控制激光模式的頻率和發射方向。

由光學表面模式(紅色)的干涉引起的表面張力效應，液體薄膜變形形成液態光子晶體(藍色)的原理圖。(a)由光子平板波導模式的干涉（即在金屬表面傳播的光學表面波）、(b, c)懸浮液態光子晶體和支撐液態光子晶體（即在介質內傳播的光學表面波）所形成的2D液態光子晶體。增益材料可以直接引入到液體中，也可以引入到(c)中描述的固體基底中。以固體介質壁為界的液體槽的側向尺寸為d_y和d_z。(d - f)相應的一維光學液晶格在長度為d_z的液體縫隙中，由一對相反傳播的表面等離激元(d)或平板波導模(e, f)誘導。

該項工作首次證明了光學表面波模式可以用于構建液態光子晶體，其研究成果可能為進一步實現液態光子晶體的實驗設計提供啟發，以探索液態光子晶體的非線性相互作用機制。由于光波在光子晶體中的傳播與電子在原子晶體中的傳播有相似之處，因此本研究中引入的可調諧液態光子晶體具有模擬量子效應的潛力，還可能用于研究具有挑戰性的量子力學問題的可重構計算平臺。

此外，這種新穎的可支持激光模式的誘導反饋機制，可實現基于薄膜的生物傳感新型平臺，將化學傳輸與可感知的內置檢測方案結合起來。

有趣的是，由于油是不易揮發的液體，可以在金屬表面形成穩定的液體薄膜，所以上述討論表明，在普通的金屬煎鍋上構建量子仿真器是可以實現的。