芝加哥大学的科学家发明了已知最小的导光方式

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。在海洋之下和跨越大陆，光纤电缆传输的光可以对从 YouTube 视频到银行传输的所有内容进行编码，所有这些都在头发丝大小的股线内。

然而，芝加哥大学的 Jiwoong Park 教授想知道如果你制造出更细更平的线会发生什么——实际上，细到它们实际上是 2D 而不是 3D。光亮了会发生什么?

通过一系列创新实验，他和他的团队发现一片只有几个原子厚的玻璃晶体可以捕获并携带光。不仅如此，它的效率也令人惊讶，并且可以传输相对较长的距离——可达一厘米，这在基于光的计算领域是非常远的距离。

这项研究发表在 8 月 10 日的 《科学》杂志上， 展示了二维光子电路的本质，并可能为新技术开辟道路。

“我们对这种超薄晶体的强大功能感到非常惊讶;它不仅能储存能量，而且能比任何人在类似系统中看到的能量传输距离远一千倍。”该研究的主要作者、詹姆斯·弗兰克研究所和普利兹克分子工程学院化学系教授兼主席、教员 Jiwoong Park 说道。 。“被捕获的光也表现得像是在二维空间中传播。”

指路明灯

新发明的系统是一种引导光的方式(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传播——这是电路和计算的所有成分。

光子电路已经存在，但它们要大得多并且是三维的。至关重要的是，在现有的波导中，光的粒子(称为光子)始终 在波导内 封闭地传播。

科学家解释说，通过这个系统，玻璃晶体实际上比光子本身更薄，因此部分光子在传播时实际上会从晶体中伸出。

这有点像建造一条管道在机场周围运送手提箱与将它们放在传送带上之间的区别。通过传送带，行李箱敞开在空气中，您可以在途中轻松查看和调整它们。这种方法使得使用玻璃晶体构建复杂的设备变得更加容易，因为光线可以通过透镜或棱镜轻松移动。

光子还可以体验沿途条件的信息。想象一下检查一下从室外进来的行李箱，看看外面是否在下雪。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，假设您有一份液体样本，并且您想检测是否存在特定分子，”帕克解释道。“你可以设计它，使波导穿过样品，而该分子的存在会改变光的行为方式。”

科学家们还对构建非常薄的光子电路感兴趣，这些光子电路可以堆叠起来，将更多的微型设备集成到同一芯片区域中。他们在这些实验中使用的玻璃晶体是二硫化钼，但原理应该适用于其他材料。

科学家们表示，尽管理论科学家们预测这种行为应该存在，但实际上在实验室中实现它是一个长达数年的旅程。

“这是一个非常具有挑战性但令人满意的问题，因为我们正在走进一个全新的领域。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，”该论文的共同第一作者、研究生洪宇说。

Myungjae Lee(前芝加哥大学博士后研究员，现为首尔国立大学教员)是该论文的另一位第一共同作者。博士后研究员 Jaehyung Yu、Fauzia Mujid(PhD'22，现就职于艺康)以及研究生 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施以及康奈尔大学材料研究中心。