互动科普

首例成功的光子晶体是在一块陶瓷材料上钻三组交叉的孔阵列制成的，每列的孔都与页面垂直方向成35度角，现被称为亚布隆诺维特结构(yablonovite)。这种六毫米直径的孔阵列，可以阻碍13—16千兆赫的无线电波通过。

又接到一个闹心的电话，又一帮理论物理学家唠唠叨叨地说我的发现于事无补，真令人郁闷啊！我花了整整三年的时间，尝试了无数的方案，自认为终于成功了。可是万一理论物理学家们说对了，我就不得不回到实验室继续干。

也许．我试图制作的那种能像硅和其他半导体控制电流一样控制光束的人造晶体结构，从根本上就不可能存在。

电子半导体无疑是电脑以及涉及全球经济的各种器件的核心。通过实现更大容量的光导纤维、纳米激光和终将替代现行芯片的光子集成电路，光半导体将会使信息和远程通讯革命进一步深化。

20世纪80年代后期，尽管光子晶体的研究起步非常艰难，并在早期遭受到很多光子学研究团体的质疑，但如今这个领域已经兴旺起来了。世界各地的许多学者(包括我自己)已经成立了公司，正在开发商业化产品。要证明怀疑论者是错误的，关键在于证明光有可能产生像电子半导体一样的所谓禁带现象。

电子禁带是一个电子禁区，一个电子不能占据的狭窄能量带。当半导体中的电子充满了禁带以下所有的可获得状态时，电流就不能形成，因为所有的电子都不能迁移。将电子推到禁带之上需要很多的能量，然而一旦有少量的多余电子，能够自动地到达禁带以上，这些电子便可在广阔的能量空间邀游。同样地，电子的缺失可以在禁带以下形成带正电的“空穴”，也可即刻形成电流。

半导体的所有魔力——开关和逻辑功能——来源于对禁带以上电子和禁带以下空穴增益性的控制。电子禁带的存在与性质关键取决于材料的原子类型及其晶体结构——即晶格的间距和形状。通过用各种不同的原子替代的方法改变晶格或缝隙中的原子类型(称为搀杂)，工程师们可以改变半导体中电子和空穴的数量，以此调整它的性质。

在硅和其他半导体中，相邻原子的间距约为0．25纳米光子禁带材料与之有相似的结构，但这一间距值要大些。一个典型的结构是一块钻有许多圆柱形孔的特殊玻璃，圆柱孔排列紧密．孔径为400纳米。这些孔类似于半导体中的原子。一般来说，阵列间距必须合理地接近于受控光或电磁波的波长，但这种情况也不是绝对的。可见光的波长在400—700纳米范围内，许多移动电话所用的波长是35厘米。

光进人多孔材料后将在无数空气与玻璃的界面上发生折射和部分反射。根据光的波长、光在晶体中的传播方向、玻璃的折射率、孔的大小和排列方式的不同，这些复杂的叠加光线，有的相长．有的相消。各方向的光完全相消(效应)的狭窄的波长带区，类似于半导体中的电子禁带：波长窄的光不能通过该晶体。调整禁带结构——比如填充掉某些孔——光效应会发生变化，就像电子半导体搀杂的作用一样。通常光子晶体是由电子半导体材料制成的，它既有电子禁带又有光子禁带。

50万个孔

寻找光子禁带的工作于1987年悄然开始，两个相互独立的方案在两个月内相继发表。笔者提出了两个方案中的一个，另一个方案的提出者是美国普林斯顿大学的Sajeev John。我们两人的研究目标有很大差异。我当时就职于新泽西州的一个电话研究机构——贝尔通讯研究中心，正在寻求如何使远程通讯激光更加高效。大部分用于产生激光的电流被浪费在自然发光中，而光子禁带可以抑制这种浪费：当原子是阻碍光传播材料的一部分时．它自身并不发光。

John与我的研究方向不同，当时他正致力于纯理论研究。他提出用光子禁带来创造所谓的光定位。在电子学的类似现象中，有一种量子效应被称作电子定位。它发生在诸如无定形半导体等无序材料中，这种无序性将电子限制于某一确定位置以阻碍形成电流。

我和John此前从未谋面。但当我们知道了彼此的研究，出于好奇安排了一次会面午餐。我们认为我们即将大功告成，并就术语达成了共识：“光子禁带”和“光子晶体”。回到实验室，我的自信心爆棚，认为只要几个月就能创造出第一个有效的模型。

尽管光子指的是光，但禁带理论的原则同样能很好地适用于各种波长的电磁波。在这种思想指导下，我先试制行间距和大小容易控制的晶体结构，并用波长相匹配的电磁波进行测试。事实上，我开始寻找光子禁带材料是在一个金工车间，用钻机在绝缘板上刻划出各种结构。晶体的结构形式和设计方案多得难以想象，然而这里就存在一个问题，在不计其数的可能性中，究竟哪一种设计可以产生光子禁带呢？

在电子半导体晶体中，禁带的出现是由于电子在一定程度上具有波的性质，而且这些波散射在原子的层列中。一些波经散射后折回原来的方向，如果波长与相邻层的层间距大致相等，所有的反射波就会完全叠加，结果电子波被完全反射就像光照在镜子上一样。对于完全禁带，无论波从什么方向通过晶体，这种完全反射一定发生在一个波长范围内。

我知道不能简单地模仿硅晶体的电磁禁带。对光来说，散射是由折射率的变化引起的(比如，空气和玻璃之间)。要想直接产生类似于电子与硅原子之间的现象．则要求材料有非同一般的折射率。

我也知道不可能简单地从理论上推导出这种结构：禁带依赖于波与成百上千个孔的相互作用，这是一个非常复杂的过程。理论物理学家开发了用于半导体计算的计算机模型，但是这些程序对光子不适用。首先，运动方程不同——电子运动服从薛定方程，而描述光运动的却是麦克斯韦方程。第二，光子的偏振不能像电子一样完全忽略。因此，我没有办法测定哪种结构有光子禁带。所以，我和同事们常常是凭着对物理学的直觉一次又一次地研制着各种结构，看哪一种能够产生禁带，而不是靠计算进行的。在这4年中，我忠实的机械师John Gural借助于一台数控打孔机，在各种绝缘板上打了50多万个孔。一次又一次的失败使我们身心交瘁。

钻石的惊喜

我们设想面心立方体(fcc)结构会非常适合制作电磁波禁带。制作这种结构就像在国际象棋盘的每个白格子上放置一个黑立方体，每个黑格子上放置一个白立方体；第二层继续在白色的上面放黑色，黑色的上面放白色，如此继续下去，则黑白立方体分别形成fcc晶格。

这种结构仍然有无限多种选择，因为可以用任何几何结构替换黑白立方体来改变光波的反射和折射。两年以后，我们找到了一种看似管用的结构：一种fcc结构，在材料中每个黑色立方体由球形孔穴代替。我发表了这个结果，但是我错了。

现在，理论物理学家已经开始攻击我们了。有几个理论物理学家重新设计了适用于光的带结构计算机程序。包括工业大学的K. Ming Leung,和依阿华州立大学的Kai Ming Ho领导的团体在内的几个理论物理学家团体开始打来那些闹心的电话。我长期寻找的fcc结构只有一个假禁带——一个零宽度的“禁带”，这意味着实际上只有一种波长的光被禁止。在我们的多年努力之后，看来大自然根本就不允许光子禁带存在，也许它要求的折射率远远超过任何现有的透明材料。

然而，只过了几个星期，依阿华州立大学的理论物理学家团体发现了钻石结构，这种四面体几何结构的珍贵宝石能够产生禁带。这种最宽的禁带结构是由绝缘棒组成的，该绝缘棒位于碳原子间化学键所在的位置．而碳原子收缩成几何端点。就我们目前所知，钻石本身并不是光子禁带材料。前面我讲过，当我们开始研究时就知道，我们不能简单地模仿硅晶体的结构来构造光子禁带。我们犯了一个多么大的错误啊：硅晶体结构也恰恰是钻石的结构。

四面体结构最适于制作光子禁带的事实十分令人吃惊，而且意义深远。在用作光子晶体之前，钻石结构只不过是另一种矿物结构，其原子间的相互作用复杂在适当的温度和压力下形成能量最小化的化学键。它形成光子禁带的功能深刻揭示了电磁学与3维空间几何学的重大关系。从麦克斯韦方程(电学、磁学和光学定律)导出光子禁带的条件既是充分的也是必要的。

钻石的四面体结构随着晶格点的形状和观察角度不同而呈现出多种外型。下页的两个图形都是钻石结构，但其光子晶体的差异很大。l991年我们首次成功制作了光子禁带晶体(这次是真的)，应用的是钻石结构的一种变体，现在被称作亚布隆诺维特结构。毕竟自然是友善的：在钻石结构中，禁带发生在折射率仅为1．87时，而许多光学材料可获得的折射率都在3.6左右。

钻石结构并不是唯一可制作光子禁带的结构。l992年，当时在伦斯勒工学院的理论物理学家Joseph Whatls的成功证明我们过早地否定了fcc结构。科学家原来就已经发现，fcc结构只有在大约半个波长(有些像一根吉他弦的基波)占据一个晶格时才能产生禁带。正像我们所看到的，在这个波长产生的只是假禁带。然而，Haus认为并证明在一个更短的波长下，即一个波长占据一个晶格(就像吉他弦的第一次谐波)时，能够出现真正的fcc禁带。另外，他发现甚至被称为“脚手架结构”(与脚手架相似)的简单立方体结构也能够产生禁带（尽管非常窄）。

蝴蝶与芯片

现在我们已经得知，大自然已经往闪亮的宝石中制造了光子禁带，而且在蝴蝶多彩的翅膀中，在一种被称作海鼠的虫状生物的毛发中，都有光子禁带结构。但是这些都不是完全禁带，光仍然能够从某些方向传播。自然界中没有天然的完全禁带，大概是因为完全禁带对折射率有苛刻的要求。

不过，不完全禁带也是非常有用的。例如，一微米以下的二氧化钛微粒能够实现蛋白石结构的自凝聚。二氧化钛是高效的涂料和纸张增白剂，而发生庄二氧化钛禁带结构中的连续光散射使我们可以用较少量的二氧化钛获得更好的增白效果。也许有朝一日，在粉刷的墙壁上，在桌上乱糟糟的纸张中，光于晶体随处可见。

另外一种非常有用的不完全禁带材料是二维光子晶体，它能在平面范围内阻挡光的传播。这种结构能够被延展到三维，形成一种新型光导纤维。相同容量下，传统光导纤维核有很高的折射率，所有的光均被反射了回来。英国巴思大学的Philip St．J．Russely于1999年演示了如何制作光禁带纤维的过程。在一种情况下，光受限于周围材料的两维禁带面沿着纤维的中心孔传播。通过中心孔传播比通过玻璃传播光能的损耗更小，从而传输的信息量更大，其传输容量大约是传统远程通讯纤维的100倍。新型纤维在光子禁带产品商业化方面已经取得了长足的发展。丹麦和英国的公司已经在分发样品广告并很快就可以批量生产。

还有一种方法不是将二维禁带结构延展至三维的纤维禁带结构，而是走向相反——制作二维薄膜的光子晶体。这项技术是由当时在麻省理工学院的Shanhui Fan和John D．Joannopoulos于1997年率先研制出来的。利用制作集成电路的标准方法很容易成型薄膜光子晶体。在禁带结构中打孔相当于电子半导体中的搀杂，从而开拓了广泛的应用范围。一个例子是光子晶体光导纤维的中心孔。同样地，在薄膜晶体中打孔是制作激光的关键要素，这样的所谓“空洞”可以驻留电磁波——想象为一小段光的驻波被困在两面镜子之间。最近，加州理工学院的Axel Scherer实验室利用这种最小的光学空洞，制作了体积仅为0．03立方微米的目前最小激光。

用光子晶体薄膜制作光学电路，意味着光电子学上小型化的极限。许多研究者相信，集传统电子学和光子学为一体的集成电路，将把集成电路革命拓展到高宽带光学信号的领域。未来几年禁带方面的产品开发将是最受关注的，但商业化还需再等两三年。

你可能想不到电磁禁带晶体在似乎需要超大晶体的无线电波上也大有用处。例如移动电话需要空中波长为35厘米的无线电波。带有大量这种孔和间距的晶体在携带上很不方便。我们被普通的LC电子电路拯救了．它是由一个电感(一个线圈；“”、L”)和一个电容(平行板；“C”)组成的。这种电路可以把电磁波压缩为一个很小的体积。阵列LC电路可以像光子晶体一样控制原本波长比阵列大很多的电磁波。

逆行光

同在圣迭哥的加利福尼亚大学的Sheldon Schultz和David R．Smith利用阵列LC电路发明了“逆向移动”材料，它在微波频率下有负折射率。在这种材料中，电磁波逆向传播：当波峰从左往右运动时，波的能量却从右往左传播。英国帝国理工学院的John B．Pendry应用LC电磁禁带阵列来控制无线电频率的磁场，这种磁场被用于磁疗共振成像。工业、军事和学术界(包括我所在研究小组)的专家们正在联手研究如何使LC共鸣器阵列也可以用于无线电波控制。这种阵列的可能应用包括通过抑制地面反射信号使GPS天线更精确，以及通过减少与用户大脑的电磁耦合来提高移动电话的效用。

看来LC电路的原理可能要拓展到光学波长。这些器件使用等离子体激元，它使电流在金属表面以光学频率振荡。这种比光波波长还小的微型LG电路阵列将实现光子晶体小型化的极限。

有时候冒险家需要自负，否则他们不可能开始他们的追求并坚持到底。当我暂时停下来思考现在我这个领域的工作进展时，我很庆幸我将十多年前那些闹心的电话转化成了进一步研究和解决问题的动力。

【崔琳琳／译 曾少立／校】