圖片來源：RANDY MONTOYA, Sandia |
發光網格。在桑迪亞國家實驗室建立的光子晶體可以將光子捕獲在其晶格中，並迫使它們沿著複雜的路徑行進。 |
近看，它很像一堆等待點燃的木柴，但實際上它是由矽片製成的合成晶體。這種晶體具有獨特的彎曲特定頻率光線的能力，幾乎可以在任何方向上彎曲，而且幾乎沒有損耗。桑迪亞國家實驗室的研究人員取得的這項成就不僅僅是實驗室裡的好奇心：這些裝置是通訊和光計算快速發展的關鍵。
這種相互連鎖的棒狀晶格，稱為光子晶體，就像一面鏡子，可以防止特定頻率的光線從空腔中逸出。透過選擇合適的棒條寬度和間距，研究人員可以選擇被困在這種光子“帶隙”中的光線頻率。然後，透過在晶格中小心地引入雜質或變化，他們可以建立路徑，使被困的光線在晶體中進行過山車式的運動。無論轉彎有多急，頻率大致位於帶隙中間的光線都無法逃脫。
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這種幾乎不漏光的晶格可以引導大約 95% 的光線在其內部傳播，而傳統的波導則約為 30%。而且它們可以快速改變光線方向：它們彎曲光線所需空間僅為傳統波導的十分之一到五分之一。桑迪亞光子晶格的轉彎半徑目前在一個波長範圍內，而不是傳統的波導彎曲的 10 個以上波長。
自 1987 年由現任加州大學洛杉磯分校教授的伊萊·亞布羅諾維奇首次提出這一想法以來，研究人員一直試圖構建實用的“光子帶隙結構”。他於 1990 年建造的第一個光子晶體，大小如棒球，可以引導天線應用中有用的微波。在 20 世紀 90 年代中期，愛荷華州立大學和附近的能源部艾姆斯實驗室的科學家們建造了大小如乒乓球的晶體，也是用於微波。它們是由裁縫常用的普通直金屬針手工組裝而成的。由麻省理工學院的 J. D. Joannopoulos 領導的另一個小組也在追求類似的目標。
桑迪亞的進步是將晶體縮小到奈米領域。目前的裝置由桑迪亞研究人員肖恩·林和吉姆·弗萊明建造，在紅外範圍內工作（波長約為 10 微米），可用於增強或更好地傳輸紅外影像。“我們建造了相同的結構，但尺寸大了 100 多倍。肖恩·林的小組能夠做到這種尺寸，真是太了不起了，”艾姆斯實驗室的研究員拉瑪·比斯瓦斯說。
圖片來源：SANDIA 光阱。研究人員利用半導體制造技術，創造了一種由相互連鎖的矽棒製成的合成晶體，矽棒寬 1.2 微米，高 1.5 微米。正如預測的那樣，紅外波長（10 微米）的光線無法從該結構中逃脫。 |
但林並沒有止步於紅外線。下一步已經在進行中，是一個 1.5 微米的晶體——幾乎世界上所有光傳輸資訊都透過的區域。其他光子科學家確信桑迪亞團隊將實現其目標。“憑藉林現在使用的結構，他將在未來 12 個月內達到目標，”麻省理工學院教授 Joannopoulos 小組的成員皮埃爾·維倫紐夫預測道，他曾對光子晶體的用途進行過理論研究。
維倫紐夫和其他人充滿信心的原因是桑迪亞小組採用的製造技術。林和弗萊明能夠利用桑迪亞為製造微型機器而完善的技術——使用類似於製造計算機晶片的技術的變體，從矽中雕刻出微小的齒輪和輪子。像半導體制造中使用的矽晶片一樣，矽晶片上塗有二氧化矽。然後在二氧化矽中蝕刻出溝槽，並填充多晶矽。
對晶片進行拋光，並在頂部新增另一層，這次溝槽與下層的溝槽成直角。重複該過程多次後，用氫氟酸蝕刻掉二氧化矽，留下一個多晶矽棒的晶格，這些棒寬 1.2 微米，高 1.5 微米，間距為 4.8 微米——與艾姆斯實驗室研究人員預測的結構相同，該結構對於製造光子等效的電子帶隙是必要的。可以在單個 6 英寸矽晶片上製造數以萬計的這些器件。
圖片來源：RANDY MONTOYA, Sandia 肖恩·林手持早期原型，領導了桑迪亞開發光子晶體的工作。下一個目標：更小的結構，能夠控制大多數光通訊系統中使用的光頻率（1.5 微米）。 |
如果桑迪亞工作人員實現其 1.5 微米頻率的目標，該開發將為更小、更便宜、更有效的光波導、感測器、雷射器鋪平道路——甚至使光計算機成為現實。由於在將光線反射回自身的三維反射中幾乎沒有光損失，因此理論上可以實現一種新型的微雷射器，該雷射器只需要很少的啟動能量。
此外，光子晶體將有助於研究人員開發利用光子而不是電子的計算機。光子比電子更快更冷，但沒有人能夠將有用的光頻率彎曲到足夠緊的角落，以在郵票大小的計算機晶片上導航百萬次轉彎。在通訊中，這些裝置將更容易分離透過光纖傳輸的白光組合流中各種頻率攜帶的資料。
桑迪亞的發現首次在 1998 年 7 月 16 日的《自然》雜誌上披露。實驗室官員表示，他們已為新裝置申請了專利，並且至少有一位風險投資家聯絡了他們，渴望將該技術商業化。
這種新的操縱光線的方式能否與電晶體相媲美？