芝加哥大学的科学家们发现，一种只有几个原子厚度的玻璃晶体可以捕获和携带光，并且可以用于应用。研究合著者洪汉宇(Hanyu Hong)拿着的塑料中间有一条细线，可见这种材料。来源:Jean Lachat
将光从一个地方引导到另一个地方是我们现代世界的支柱。跨越深海和广阔的大陆，光纤电缆传输包含从YouTube视频到银行传输等数据的光——所有这些都在像一缕头发一样细的光纤中。
然而，芝加哥大学教授朴吉雄(Jiwoong Park)想知道，如果你制造出更薄更平的链，会发生什么——实际上，薄到实际上是2D而不是3D的。光会发生什么?
通过一系列创新实验，他和他的团队发现，只有几个原子厚的一片玻璃晶体可以捕获并携带光。不仅如此，它的效率令人惊讶，可以传输相对较长的距离-高达一厘米，这在基于光的计算世界中是非常遥远的。
在激光实验室里，朴智雄教授(左)和科学家洪汉宇(右)证实了这种材料可以携带光——尽管它比光本身还小。来源:Jean Lachat
这项研究最近发表在《科学》杂志上，展示了本质上是二维光子电路的东西，并可能为新技术开辟道路。
“我们对这种超薄晶体的强大感到非常惊讶;它不仅可以储存能量，而且可以比任何人在类似系统中看到的距离远一千倍，”该研究的主要作者Jiwoong Park说，他是詹姆斯弗兰克研究所和普利兹克分子工程学院的教授兼化学主席和教师。“被捕获的光也表现得像在二维空间中行进一样。”
指明灯
新发明的系统是一种引导光的方式，被称为波导，本质上是二维的。在测试中，研究人员发现他们可以使用极其微小的棱镜、透镜和开关来引导光沿着芯片的路径——所有这些都是电路和计算的成分。
光子电路已经存在，但它们要大得多，而且是三维的。至关重要的是，在现有的波导中，光的粒子——光子——总是在波导内部封闭地运动。
科学家们解释说，有了这个系统，玻璃晶体实际上比光子本身还要薄——所以光子在传播的时候，有一部分会从晶体中伸出来。
图为，美国芝加哥大学朴智雄教授(左)和洪涵予教授(右)正在朴智雄教授的实验室里检查材料。在测试中，他们可以使用微小的棱镜、透镜和开关来引导光沿着芯片的路径——所有这些都是电路和计算的成分。来源:Jean Lachat
这有点像建造一个管道在机场运送行李箱，而不是把它们放在传送带上。通过传送带，旅行箱向空中打开，您可以很容易地看到并在途中调整它们。这种方法使得用玻璃晶体制造复杂的设备变得容易得多，因为光可以很容易地通过透镜或棱镜移动。
光子也能体验到沿途环境的信息。想想检查从外面进来的行李箱，看看外面是否下雪。同样，科学家们可以想象使用这些波导来制造微观水平的传感器。
“例如，假设你有一个液体样本，你想要检测一个特定的分子是否存在，”Park解释说。“你可以设计它，让这个波导穿过样品，这个分子的存在会改变光的行为。”
科学家们还对制造非常薄的光子电路感兴趣，这种电路可以堆叠在一起，将更多的微型设备集成到同一个芯片区域中。他们在这些实验中使用的玻璃晶体是二硫化钼，但这些原理应该适用于其他材料。
科学家们说，虽然理论科学家们已经预测到这种行为应该存在，但在实验室中真正实现它是一个长达数年的过程。
“这是一个非常具有挑战性但又令人满意的问题，因为我们进入了一个全新的领域。因此，我们需要的一切都必须自己设计——从生长材料到测量光的移动方式，”研究生洪汉宇说，他是该论文的第一作者之一。
参考文献:“集成二维光子学的晶圆尺度δ波导”，作者:Myungjae Lee, Hanyu Hong, Jaehyung Yu, Fauzia Mujid, Andrew Ye, Ce Liang和Jiwoong Park, 2024年8月10日，Science。DOI: 10.1126 / science.adi2322
李明宰(Myungjae Lee，前芝加哥大学博士后研究员，现为首尔国立大学教师)是该论文的另一位第一合著者。博士后Jaehyung Yu, Fauzia Mujid(22届博士，现就职于艺科)和研究生Andrew Ye和Ce Liang也是该论文的作者。
科学家们使用了芝加哥大学材料研究科学与工程中心、普利兹克纳米制造设施的制造设备和康奈尔材料研究中心。
