科技日報記者 張佳欣
荷蘭原子與分子物理研究所、代爾夫特理工大學和美國康奈爾大學的研究人員開發出一種革命性光聚焦技術，可將光束縛在與自身波長相當的極小空間內。該方法利用了光子晶體的特殊性質，適用波長范圍更廣，能形成極高強度的局域光場，可為光子芯片、量子通信等領域帶來突破。相關論文發表于最新一期《科學進展》雜志。
傳統光聚焦技術存在固有局限：光學諧振腔依賴特定波長共振，而透鏡類波導僅適用于遠大于波長的器件。此次，團隊另辟蹊徑，首次利用拓撲光子晶體的特殊性質破解難題。
團隊使用的光子晶體，是由硅制成的薄片，上面刻有非常小的孔洞陣列。從原理上講，這些孔洞會阻止光線在硅薄片中的傳播。但將兩片鏡像對稱的晶體并排放置時，它們的邊界處就會形成一個波導，光線只能沿著邊界移動。這種設計的特別之處在于，光線的傳導是受拓撲保護的，這意味著晶體中的缺陷對光線的散射或反射被抑制了。
團隊在波導末端設置了光線無法穿透的反射“墻”。由于拓撲保護機制，入射光被“困”在界面處持續累積，形成強度極高的局域光場。他們使用獨特顯微鏡，通過晶體表面上方的一根超細針尖掃描光場，能在寬度是人類頭發絲約千分之一的尺度上定位光強。
團隊在拓撲波導末端看到光場明顯放大。有趣的是，這種情況僅在波導末端的“墻”以特定角度放置時才會發生，這證明光放大與后向反射的拓撲抑制有關。光放大集中在一個非常小的體積內，小到與光線本身的波長相當。這種方法的一個主要優點是其寬帶特性適用于多種不同的波長。
這種拓撲聚焦機制具有普適性，理論上可推廣至聲波、電子波等其他波動形式。
總編輯圈點
操控和利用光是現代通信的一個重要命題。此次，科研人員利用光子晶體的特殊性質，在芯片上實現超小空間的光聚集。團隊通過巧妙的設計和布局，讓光只能沿著特定路線移動，還給光裝上了“防抖裝置”，并在光行進路線的盡頭設置了“墻”，光因為無法通過而持續累積，形成高能能量場。該機制不僅適用于光波，也可推廣到聲波、電子波等其他形式。該技術為未來超緊湊、高性能光學芯片的研發奠定了基礎，為光電子領域的發展開辟了新道路。
