《自然》：為光數據的存儲、傳輸和處理帶來新希望
如何才能真正捕獲光線？英國科學家的一項最新研究，從理論上提出了讓光線減速到停滯的方法。相關論文發表在11月15日的《自然》雜志上。
圖片說明：不同波長的光線能夠被特殊波導的不同位置捕獲，形成彩虹。
（圖片來源：B. STAROSTA）
英國薩里大學（University of Surrey）的Ortwin Hess和同事提出，將兩個“瘋狂”的物理前沿研究領域——光速減慢技術和“超材料”（metamaterials）開發結合起來，可以得到一種材料，它能夠將光線減速到極限。由于該材料同時能使多種頻率的光線減速并獲得“彩虹”，因此這項技術也被研究人員稱為“捕獲的彩虹”（trapped rainbow）。
組成光線的光子不帶電荷，因此科學家無法像對電子那樣對光子進行操控。到目前為止，要讓光線減速需要巨大的設備產生超低溫氣云，它能夠讓光子停滯幾微秒的時間。
在最新研究中，Hess等人模擬研究了一種特殊模式的光在穿過一種波導（waveguide，將光波引向特定方向的結構）時會受到怎樣的影響。該波導由一種“三明治”結構材料構成，中央是負折射率材料，外面是兩層正常材料。結果發現，該光波的波群速度（group velocity，不同頻率的波的合成在介質中傳播的速度）依賴于波導的厚度。通過數學上的透徹分析，Hess確認了這種關聯性的存在。
如果事實果真如此，該發現意味著可以通過改變波導厚度來控制光線的波群速度。如果波導厚度恰好達到令波群速度為零的臨界點，那么光線就會停下來。
毫無疑問，波導臨界厚度是隨著光線波長改變而改變的。研究人員提出，對日光來說，一個合適的楔形波導就能滿足各種波長。波長較短的藍光可以被波導較厚的地方捕獲，波長較長的紅光則由較薄的地方負責。研究人員表示，一個55微米長、厚度從0.8微米到1.4微米的楔形波導就可以實現“捕獲彩虹”。
盡管這樣一種材料聽起來有些“科幻”，但奇異的“超材料”發現都是從一些看似不可思議的理論誕生出來的。比如，負折射率材料從提出到發現僅用了短短6個月的時間。Hess希望相同的事情也可以發生在“捕獲彩虹”上，盡管他認為首個實現的設備應該對應的是波長更長的紅外光波或者微波，因為它們需要的波導尺寸更大，更容易制造。
Hess認為，如果未來人們能夠按意愿改變光速，光數據將更容易存儲、傳輸和處理。當前利用光信號處理數據主要受到信號內容解譯速度的限制，如果光線能夠變慢，無疑能夠在系統不超負荷的情況下，處理更多的信息。同時，目前的光信號傳輸方式并未利用光線帶寬的巨大優勢，因此，“捕獲彩虹”將有望開創更加復雜和有效的數據傳輸方式。
（《自然》（Nature），450, 397-401（15 November 2007），Kosmas L. Tsakmakidis, Ortwin Hess）
更多閱讀（英文）
《自然》論文摘要
Ortwin Hess實驗室主頁