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供圖：Kanté Group,，加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校

一種新型的激光腔（laser cavity）能夠被做成任何形狀，并通過磁場(chǎng)來改變光的流動(dòng)，這個(gè)新技術(shù)是基于一項(xiàng)獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的研究。

“利用光來做的這件事的前景令人激動(dòng)”，加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校（the University of California, San Diego）的物理學(xué)家Boubacar Kante這樣說道。Kante和他的同事們?cè)诮诘摹犊茖W(xué)》雜志上描述了他們所說的“拓?fù)淝?rdquo;（topological cavities）。

通常，一個(gè)用于放大光線的激光腔會(huì)被制成環(huán)形。如果在上面有尖角，部分光線就會(huì)丟失，而且激光也無法工作。而環(huán)形的激光腔帶來的結(jié)果是，如果工程師想要在一塊芯片上放置許多的激光器——比如用于光學(xué)通信和計(jì)算，那么環(huán)之間將會(huì)有大量浪費(fèi)了的可用空間。

Kante的小組通過研發(fā)一種拓?fù)淝唤Y(jié)構(gòu)來克服了這個(gè)形狀上的局限。他們把量子阱（形成激光的部分）構(gòu)建在磷化砷鎵銦（indium gallium arsenide phosphide，譯者注：電注入式半導(dǎo)體激光器材料）的外側(cè)。并將這些放置在由釔鐵石榴石（yttrium iron garnet，譯者注：固體激光器材料）制作的光子晶體內(nèi)。一個(gè)光子晶體的晶體結(jié)構(gòu)尺寸與通過的光線波長(zhǎng)相等，這種結(jié)構(gòu)像一面鏡子一樣使光線按照特定的方向傳播。

在這種情況下，研究人員制作了兩種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的光子晶體。其中一種有一個(gè)置于方形晶格里的星形晶胞（unit cell，重復(fù)存在以形成晶體結(jié)構(gòu)的基本晶體形狀）；另一種則是有圓柱形氣孔的三角形晶格。Kante把它們分別比作百吉餅和椒鹽卷餅，雖然它們本質(zhì)上都是帶孔的面包，但是不同數(shù)量的孔意味著它們?cè)诟旧鲜遣煌男螤睢?/div>

在Kante的系統(tǒng)中，一個(gè)光子晶體位于另一個(gè)不同的光子晶體中，而兩種不同晶體接觸形成的界面就是激光腔。他說：“這個(gè)界面可以做成你想要的任何形狀”。

隨著晶體的就位，Kante接下來在上面施加磁場(chǎng)，這就使系統(tǒng)變成了一種拓?fù)浣^緣體（topological insulator）的光學(xué)等價(jià)物，拓?fù)浣^緣體內(nèi)部由絕緣材料構(gòu)成，但電能沿著材料的表面?zhèn)鲗?dǎo)。2016年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)就頒發(fā)給了為拓?fù)浣^緣體的發(fā)明奠定了基礎(chǔ)的科學(xué)家，但之前研發(fā)的器件主要關(guān)注點(diǎn)在電流方面。在一個(gè)光子晶體拓?fù)浣^緣體中，光線的流動(dòng)被約束在晶體結(jié)構(gòu)接觸的表面。改變磁場(chǎng)信號(hào)就能改變光線發(fā)射的方向。

這個(gè)新設(shè)備的直接應(yīng)用價(jià)值，是工程師能在一塊芯片內(nèi)更加密集地安置激光器，從而使得光通信變得更加高速。而擁有新的控制光線的技術(shù)最終可能幫助我們研發(fā)新型的光子器件，并為全光學(xué)計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生鋪平道路，全光學(xué)計(jì)算機(jī)將比現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)更快、更節(jié)能。

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激光腔電科學(xué)

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