南京大学实现在芯片上模拟天体引力场捕获光子

近日出版的《自然-光子学》(Nature Photonics, 2013, doi:10.1038/nphoton.2013.247)发表了南京大学固体微结构国家重点实验室祝世宁院士课题组的刘辉教授与博士生盛冲的题为“trapping light by mimicking gravitational lensing”研究成果。该论文主要报道了在光子芯片上实现了一种新型的非共振宽波段的光学微腔，可以模拟相对论引力透镜效应来捕获光子。
“光”是自然界中最神秘的物质之一，近代物理学的几次重要革命，都是发源于人们对“光”的探索。爱因斯坦为了描述宇宙时空的本质，建立了广义相对论，其最著名的预言是光线在天体附近引力场中会发生弯曲。1919年，天文学家爱丁顿在日食过程中，观测到了太阳引力场中光线的弯曲，直接验证近代最伟大理论的预言。同样，由于光是世界上速度最快的信息载体，对光的捕获和操控，就像理解光的本质一样，也是人们孜孜不断追求的目标。
进入二十一世纪以来，由于信息技术突飞猛进的发展和光子集成的应用需求，人们越来越需要在微小芯片上操控光子的行为。最近，刘辉与盛冲采用简单而巧妙的旋涂加热工艺，利用微球表面与聚合物薄膜接触的表面张力，在一块微小的光子芯片上，实现了折射率具有类似中心引力场分布的光学微腔。光子在这种微腔中的传播特性可以模拟出光子在天体引力场中传播受引力场吸引所产生的弯曲。他们理论上采用广义相对论的爱因斯坦方程，计算了不同入射光子的传播路径，实验中利用量子点荧光激发，测量了不同入射距离的光束在微腔周围的传播路径。结果证明，与黑洞周围引力场"视界"类似，这种微腔也存在一种临界半径，当光子的传播路径通过临界半径包围的区域，光子就会被微腔捕获，而当光子的传播路径在临界半径区域之外，光子不会被捕获，只是路径发生弯曲，实验结果与理论很好的符合。该工作最近发表在《自然-光子学》发表后， 《自然》杂志主页"NEWS&COMMENTS"专栏对这个工作进行了评述，国际著名超构材料专家Leonhardt教授评价这个工作是“第一次在光子芯片上，用简单的实验，精确而漂亮地演绎了爱因斯坦广义相对论所描述的部分思想”。
与以前的大多数窄带共振光学微腔相比，工作中报道的非共振光学微腔具有宽波段特性，可以捕获较宽的连续波段内的光子，这也发展了光学微腔一种新的功能，可以应用于光子芯片上的宽波段激光器，光电探测，光伏器件等。