光子晶體中的偽引力效應(yīng)

文章來源：物理研究更新

原文作者：大鍋天眼

光子晶體是一種人造的周期性結(jié)構(gòu)，它可以對特定頻率范圍內(nèi)的光產(chǎn)生強(qiáng)烈的反射或透射。如何用光子晶體來模擬引力呢？改變光子晶體的形狀或大小，從而改變其周期性。這樣做會(huì)導(dǎo)致能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，并且影響光在其中傳播時(shí)所受到的有效勢能。如果我們選擇合適的參數(shù)，我們就可以讓這個(gè)有效勢能類似于引力場，并且讓光線沿著彎曲的軌跡運(yùn)動(dòng)。這就是偽引力效應(yīng)。

我們都知道，光是一種電磁波，它可以在真空中以恒定的速度傳播。但是，當(dāng)光遇到不同的介質(zhì)時(shí)，它的速度和方向可能會(huì)發(fā)生變化。這就是為什么我們看到水中的物體會(huì)發(fā)生折射，或者空氣中的水滴會(huì)形成彩虹的原因。這些現(xiàn)象都可以用光的折射率來解釋，它是一種描述介質(zhì)對光的影響程度的量。

但是，有沒有可能讓光在沒有任何介質(zhì)的情況下也發(fā)生折射呢？換句話說，有沒有可能創(chuàng)造出一種虛擬的折射率，讓光仿佛在一個(gè)彎曲的空間中傳播呢？這聽起來很像愛因斯坦的廣義相對論，它告訴我們，引力可以彎曲時(shí)空，并且影響光線的路徑。事實(shí)上，我們已經(jīng)觀察到了引力透鏡效應(yīng)，即遠(yuǎn)處的恒星或星系被靠近我們的大質(zhì)量天體所彎曲和放大。

那么，我們能不能在實(shí)驗(yàn)室里模擬出引力對光的影響呢？答案是肯定的，而且方法之一就是使用光子晶體。

光子晶體

光子晶體是一種人造的周期性結(jié)構(gòu)，它可以對特定頻率范圍內(nèi)的光產(chǎn)生強(qiáng)烈的反射或透射。這就像晶體對電子做的那樣，只不過這里是光而不是電子。光子晶體可以有不同的維度和形狀，例如一維的布拉格反射器，二維的平面波導(dǎo)或三維的光子帶隙材料。

光子晶體有很多有趣和有用的性質(zhì)，例如負(fù)折射率、超透鏡效應(yīng)、緩慢光和自旋霍爾效應(yīng)等。這些性質(zhì)都可以用光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)來理解，它描述了光在光子晶體中傳播時(shí)所能具有的能量和動(dòng)量。

偽引力效應(yīng)

那么，如何用光子晶體來模擬引力呢？一個(gè)簡單的想法是改變光子晶體的形狀或大小，從而改變其周期性。這樣做會(huì)導(dǎo)致能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，并且影響光在其中傳播時(shí)所受到的有效勢能。如果我們選擇合適的參數(shù)，我們就可以讓這個(gè)有效勢能類似于引力場，并且讓光線沿著彎曲的軌跡運(yùn)動(dòng)。這就是偽引力效應(yīng)。

偽引力效應(yīng)并不是新鮮事物，在聲學(xué)、機(jī)械和電磁領(lǐng)域都有類似的現(xiàn)象被報(bào)道過。例如，在變形后的聲子晶體中，聲波可以被彎曲和聚焦；在非均勻的介電波導(dǎo)中，電磁波可以被等效的洛倫茲力所偏轉(zhuǎn)。

實(shí)驗(yàn)

在一篇論文中，研究人員使用了一種二維的硅光子晶體，它由一個(gè)正方形的晶格組成，每個(gè)晶胞中有一個(gè)圓形的空氣孔。作者通過改變晶格的邊長和孔徑，來實(shí)現(xiàn)光子晶體的空間畸變。他們使用了三種不同的畸變模式：徑向壓縮、徑向拉伸和切向扭曲。這些畸變模式分別對應(yīng)于不同的偽引力場：吸引、排斥和旋轉(zhuǎn)。

研究人員使用了太赫茲時(shí)域光譜儀來測量光子晶體對太赫茲波的透射特性。他們發(fā)現(xiàn)，在畸變后的光子晶體中，太赫茲波的透射譜發(fā)生了明顯的變化，并且出現(xiàn)了一些新的透射峰或谷。這些透射峰或谷可以用有限差分時(shí)域法（FDTD）來模擬，并且與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得很好。作者進(jìn)一步分析了太赫茲波在畸變后的光子晶體中的傳播路徑，并且發(fā)現(xiàn)它們確實(shí)遵循了偽重力場所決定的軌跡。

總結(jié)

這篇論文只基于經(jīng)典的電磁學(xué)和相對論來理解和解釋偽引力效應(yīng)，并沒有考慮量子效應(yīng)和非線性效應(yīng)。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，可能需要考慮量子效應(yīng)和非線性效應(yīng)，并且可能出現(xiàn)一些新奇和意想不到的現(xiàn)象。

這篇論文為在芯片上控制光線的傳播提供了一種新穎和靈活的手段，也為研究引力和電磁相互作用提供了一種平臺(tái)。例如，利用偽引力效應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)光線的彎曲、聚焦等功能，從而實(shí)現(xiàn)光學(xué)的邏輯運(yùn)算、信息處理和通信等應(yīng)用。另一方面，利用偽引力效應(yīng)，也可以模擬一些引力理論中的現(xiàn)象，如黑洞、引力透鏡、引力波和霍金輻射等，從而探索引力和量子力學(xué)之間的關(guān)系。

審核編輯：湯梓紅