如何把大象囚禁在冰箱里：在时间和空间上实现对光子的极限束缚
蝴蝶结光子晶体结构的艺术示意图 (image: Ella Maru Studio)
撰文 胡树韧（论文第一兼通讯作者）
许多人小时候都捉过萤火虫。我还记得小时候把俘虏的萤火虫囚禁在玻璃瓶里，看着闪烁的光斑，心里充满了邪恶的满足感。当时就有过一个奇观的念头：为什么我们不能直接捕捉到光，放瓶子里？答案很简单：因为普通的玻璃瓶没办法囚禁光子。
其实人们已经设计了很多结构来囚禁光子。比如激光器就是把光子束缚在一个很小的空间里，光子跑不出去，导致小空间里能量不断积攒提升，直到最后突破，产生激光。
如果目标是要把光束缚在自身波长的1/1000 以下的空间中呢？这相当于把大象装进冰箱里，并且要大象非常舒适地长时间停留在冰箱里，空间固然困难，但更困难的在于时间。
在众多囚禁光子的盒子里，最引人注目的一种叫做光子晶体。半导体晶体里，周期性排列的原子产生了一个禁止电子进入的能带（禁带）。同样的道理，光子晶体可以产生一个禁止光子进入的能带。基于这个原理就可以设计一个囚禁光子的小盒子。在完美的光子晶体周期晶格中拿掉几个格点，人为制造一个缺陷。这样光子就被囚禁在这个给它们划出来缺陷区域内。
图2 光子晶体的能带图(左)和一个典型的L3二维光子晶体(右).
被束缚的光会产生强大的光场，提高光场的强度就会提高光与物质相互作用的强度，光的吸收、发射、反射等等所有与物质相互作用的过程都会增强。几乎所有对光的应用可利用这种技术而得到更好的效果，如激光、光传感器、光通讯里的调制器和光谱分析等等。
从物理原理上讲，提高光场的能量有两个类途径，一个是时间上的：让光子长时间的停留在某个区域，能量不断积累; 另一个是空间上的：缩小光子的活动范围，使得能量的密度增强。那么问题就是：能不能同时实现这两种束缚，打造一个最强的光场？
之前光子学的主流观点是这两种束缚无法同时实现。所有的设计都是只能实现一个方面的优化。如果有超长的光子停留时间(cavityphoton life time)，束缚光子的空间就会很大，比如微盘做的光谐振腔。表面等离子体有着极强的空间束缚，但是光子瞬间就被吸收了，没有时间上的积累。我们最近在 Science Advances 上发表的论文挑战了这一传统观点，首次同时实现在空间和时间上的对光的强束缚作用，制造出了超强的光-物质相互作用的平台。
要实现长时间的束缚，必须选择透明的材料，这样就不会有材料对光的吸收和散射。但是透明材料的最大问题是对光存在衍射极限，无法把光束缚在小于半波长的空间尺度。想要突破基本衍射极限下的光场密度，就要比衍射极限更基本才行。而比衍射极限更基本的，就只有号称的宇宙第一定律：麦克斯韦方程组了。
光的本质是电磁波。如果有一个小人在非常非常小的空间里（1/1000 波长空间），他看不到整个光子，所以他不会有光子的概念。衍射，反射等光子层面的概念对他来说并没有意义。他能体会到的，只有快速变换的电磁场。
在这个尺度内，电磁场只对边界条件负责。电场的边界条件有两个，一个是平行于边界，另一个垂直于边界。电场垂直于边界的时候，电位移矢量是连续的，电场强度矢量在低折射率处增强。电场平行于边界的时候，电位移矢量在高折射率处增强，电场强度矢量是连续的。
十几年前，Michal Lipson 组里发现利用电场垂直边界的条件可以增强光场，提出了著名的“狭缝效应”（slot effect），简单讲就是可以设计一个垂直于电场方向的狭缝，光场会被强烈地束缚在狭缝之内。我的设计是进一步发现了对应于另一个边界条件的结构，提出了“反狭缝效应” （anti-slot effect）：设计出一个平行于电场方向的小棍棒，光场就自愿挤在这个高折射率的小棍棒里1。这个发现的重大意义不仅仅在于单独的一个结构，而是至此在纳米领域有了与两个边界条件各自对应的结构，我们就可以利用它们之间互反的效应来不断迭代，几乎无限地增强光场。图4是发表在 ACS Photonics 上的理论论文，用三维 FDTD 模拟仿真证实了狭缝-反狭缝效应迭代可以极大的增强光场能量密度。根据这一理论，对称蝴蝶结的结构有着最好的束缚效应（图4中的无限阶∞）.
我们2014年就提出了这一个理论并在3D FDTD 模拟中验证了。投稿从 Nature，到 Nature Photonics，审稿人意见褒贬不一，最后理论和模拟结果发表在了 ACS Photonics 上。主要的质疑还是这一看起来很美好的理论能否可以在实验中实现？在 IBM 硅光子组的科学家 Marwan、 Ernst、Sebastian 和 Will 的帮助下，我们终于成功的制作出了样品。法国特鲁瓦工程大学光学中心的合作者 Rafael 用近场扫描显微方法验证了光场空间的束缚，实验上验证了理论的预测。这一实验结果发表在了最近的 Science Advances 上。Nature 以“破纪录”为标题报道了我们的结果: ‘Bowties’ break record for bottling up light. (https://www.nature.com/articles/d41586-018-06141-6)。
各大光学媒体都有报道（点击查看）
也见 Science daily, Opli 等网站。
图5 用电子束刻蚀制作出的样品。在高度上形成的 V-groove 可以进一步束缚光子。测量出的 Qualityfactor 在105，表明了很好的时间上的束缚（photoncavity life time）。
这一结果提供了前所未有的光-物质相互作用强度，在实际应用上有着非常广泛的前景。美国麻省理工学院的一个组提出利用这一结构来实现单光子室温的量子门2；日本早稻田大学一个组根据这一理论提出了蝴蝶结结构的超分辨率光纤3；在硅光子早期做出很多贡献的 Richard Soref 教授在最近发表的光互换网络综述教程中重点讲了利用我们的设计降低能耗的前景4；最早提出光子晶体概念的 Eli Yablonovitch 教授也在会上重点介绍了我们的结果，计划下一步利用这一结构做增强的 Purcell 效应5。
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作者简介 胡树韧，现供职于格芯，硅光子研发 Principle Engineer。毕业于Vanderbulit 大学物理系，博士课题为光和物质的相互作用。博士期间先后在IBM 硅光子组和惠普实验室大规模集成光子组实习。
引用
Shuren Hu, Sharon M Weiss, “Design of PhotonicCrystal Cavities for Extreme Light Concentration,” ACS Photonics, 2017
HyeongrakChoi, Mikkel Heuck, and Dirk Englund, “Self-Similar Nanocavity Design withUltrasmall Mode Volume for Single-Photon Nonlinearities,” Physics Review Letter,2017
Aiguo Sheng,and Makoto Tsubokawa, “Ultra-small light-spot transmission in a silicon-corefiber with a bowtie slot structure,” Optics Express, 2018.
Richard Soref, “Tutorial: Integrated-photonicswitching structures,” APL Photonics, 2018
Sean Hooten;Eli Yablonovitch, “Metallodielectric Antenna for Spontaneous EmissionEnhancement,” 2017 Fifth Berkeley Symposium on Energy Efficient Electronic Systems& Steep Transistors Workshop (E3S). 2017
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