“光子超晶体”你了解吗？

 集成两种人造光学材料概念的光源可能会推动超快速“Li-Fi”通信。

在许多应用中，Li-Fi空中光网络可能比Wi-Fi和其他射频系统更具优势。Li-Fi网络可以以极高的速度运行;他们可以工作在极宽的频率范围;他们能够避免射频系统的干扰问题，特别是在高安全性要求环境，如飞机驾驶舱、核电站;他们不容易被黑客入侵。普渡大学电气和计算机工程教授Evgenii Narimanov说，虽然Li-Fi网络的范围相对有限，但他们不需要视线连接操作。他说，当今的Li-Fi网络不能完全发挥这些潜能，因为它们缺乏合适的光源。

但是将两个光学材料概念集成到“光子超高温”中的设计可能会填补这一差距。

该图描绘了一种“光子超晶体”，这对于未来的“Li-Fi”技术发展而言极具前景，它比Wi-Fi和其他射频通信系统更加具有优势。图片来源：Tal Galfsky，纽约市立大学

Narimanov在2014年首先提出了这个概念。本月，他和纽约市立大学的同事们在美国国家科学院院刊(PNAS)的报告中报道了光子超晶体，光子发射率和强度大大提高。Narimanov说，光子超晶体结合了超材料和光子晶体的性质，“人造”光学材料通常具有不存在于自然界中的性质。

超材料是从比光的波长小得多的人造结构体产生的，而在光子晶体中，“单位晶胞”的尺寸与该波长相当。 虽然这两种类型的复合材料通常显示出非常不同的性质，但光子超晶体将它们全部结合在相同的结构内。

光子超晶体是基于称为双曲面超材料的一种类型，其可以用金属和介电材料的交替层来构建，其中电流仅能沿着金属层方向行进。

“通常，对于光、金属和电介质是根本不同的：光可以在电介质中传播，但是从金属反射回来。”Narimanov说，“但是，双曲面超材料可以同时在沿着层表现为金属，垂直于层的方向表现为电介质。对于光线，双曲线介质因此是物质的第三种属性，与通常的金属和电介质完全不同。”

在该结构产生的有趣性质中，超材料容纳大量的光子状态，允许以非常高的速率自发发光。

Narimanov说：“对于光源来说，问题是双曲面超材料中的这种光线不能射出去。”进入光子晶体周期性纳米结构，可以操纵光干涉，以优化光传输。

在PNAS论文中提出的集成光子超晶体中，双曲面超材料由银(金属)和氧化铝(电介质)的交替层组成。研磨成层的六角阵列产生光子晶体。在设计中，可见光是被嵌入在形成双曲面超材料的一个层中的量子点(可以发光的半导体纳米颗粒)发射的。

其结果是：极高水平的控制和发射光的增强。

作为这篇PNAS论文主要作者的纽约市立大学研究生Tal Galfsky说：“这些光子超晶体是在纽约先进科学研究中心，使用标准的纳米和微制造技术，如薄膜蒸发和聚焦离子束铣削来制造的。” “这些技术可以与现代工业具有可拓展性。”

纽约市立大学物理学教授Vinod Menon是本文的第一作者，纽约市立大学研究生Jie Gu也为此作了贡献。

PNAS报告的工作表明 “从根本上讲，设计光子超晶格的问题已经解决了” ，Narimanov如是说。但他提醒道，在这些设备商业化之前，必须克服重大的工程难题。在这些障碍之中，演示装置是通过激光光学抽运的，但是真正商业化的版本则需要电驱动并且包含半导体或有机LED。

光子超晶体在成熟时，也可能会在超快光电子学中占据其他角色。最有希望的研究途径之一，就是在量子信息处理中建立更有效的单光子枪，Narimanov建议道。