國(guó)防科普加油站（3）拓?fù)涔庾訉W(xué)：打造光子專(zhuān)用“高速公路”

光束沿直線傳播，這是一個(gè)普通物理學(xué)常識(shí)。如果有人告訴你，光束也可以“拐彎”甚至“急轉(zhuǎn)彎”，你也許會(huì)感到驚訝，或者說(shuō) “癡人說(shuō)夢(mèng)吧”。

沒(méi)錯(cuò)，科學(xué)發(fā)現(xiàn)就在于先有“夢(mèng)”而后“夢(mèng)想成真”。如今，讓光束“轉(zhuǎn)彎”的科學(xué)夢(mèng)想，已經(jīng)變成了現(xiàn)實(shí)。2009年10月，美國(guó)麻省理工的研究團(tuán)隊(duì)利用光學(xué)拓?fù)淅碚撛O(shè)計(jì)出一塊能控制光束的器件，讓光在這個(gè)神奇的器件中，能繞過(guò)障礙物繼續(xù)傳播。這一科學(xué)發(fā)現(xiàn)顛覆了人們對(duì)光束的傳統(tǒng)認(rèn)知，引發(fā)了國(guó)際科學(xué)界的廣泛關(guān)注。

傳播速度極快的光束為何能“拐彎”，甚至繞過(guò)障礙物呢？其中的奧秘就在于光子擁有一條專(zhuān)用的“高速公路”，而這條神奇“高速公路”則來(lái)源于一個(gè)“高大上”的科學(xué)領(lǐng)域――拓?fù)涔庾訉W(xué)。它究竟是何方神圣呢？現(xiàn)在就讓我們來(lái)揭開(kāi)它的神秘面紗吧。

拓?fù)鋵W(xué)催生新變革，光束不再直線傳播

俗話(huà)說(shuō)：江山易改，本性難移。光束的本性是沿直線傳播，怎樣才能改變其本性呢？這要?dú)w功于一門(mén)“高大上”的科學(xué)――拓?fù)鋵W(xué)。作為近代發(fā)展起來(lái)的一個(gè)研究連續(xù)形變現(xiàn)象的數(shù)學(xué)分支，拓?fù)鋵W(xué)相當(dāng)深?yuàn)W，我們可以通過(guò)簡(jiǎn)單類(lèi)比來(lái)理解，簡(jiǎn)單地說(shuō)，拓?fù)鋵W(xué)是研究幾何體中含有“孔洞”個(gè)數(shù)（即“拓?fù)鋽?shù)”）的一門(mén)學(xué)問(wèn)。比如說(shuō)，人們喜歡的美食甜甜圈、健身用的呼啦圈，在結(jié)構(gòu)中都有一個(gè)洞，在數(shù)學(xué)上，我們可以將這種中間有且只有一個(gè)“孔洞”的結(jié)構(gòu)，歸為一類(lèi)，看作是只有一個(gè)“孔洞”的圓環(huán)體。對(duì)于籃球、足球、西瓜等沒(méi)有“孔洞”的結(jié)構(gòu)，則將其歸為另一類(lèi)。它們雖然都屬于圓環(huán)體，但前者“孔洞”個(gè)數(shù)為“1”，后者為“零”，結(jié)構(gòu)不同，在性質(zhì)上就存在很大的差異。簡(jiǎn)單地說(shuō)，按照不同物體中所包含的“孔洞”個(gè)數(shù)進(jìn)行分類(lèi)，并將“孔洞”個(gè)數(shù)相同的物體進(jìn)行性質(zhì)上的類(lèi)比，就是拓?fù)湟饬x上的分類(lèi)。

圖1. 按照“孔洞”個(gè)數(shù)的不同對(duì)物體進(jìn)行分類(lèi)

拓?fù)鋵W(xué)是一個(gè)很神奇的數(shù)學(xué)概念，它進(jìn)入物理學(xué)領(lǐng)域后，最早是被用來(lái)描述物質(zhì)中的電子運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并由此發(fā)現(xiàn)了“拓?fù)浣^緣體”。這一新奇的材料相比于橡膠等不導(dǎo)電的普通絕緣體，雖然同樣能阻止電荷流動(dòng)，但在其表面卻猶如為電子開(kāi)辟了一條“高速公路”，可以讓電子無(wú)障礙、低損耗的高速穿流。

“拓?fù)浣^緣體”這一獨(dú)特功能，讓物理學(xué)家們浮想聯(lián)翩。2008年，美國(guó)物理學(xué)家鄧肯·霍爾丹提出了打造“光學(xué)拓?fù)浣^緣體”的新奇構(gòu)想。他的設(shè)想是，當(dāng)兩種具有不同拓?fù)鋽?shù)的材料緊密拼接在一起時(shí)，其界面處必然會(huì)產(chǎn)生一個(gè)“光學(xué)拓?fù)溥吔鐟B(tài)”，如此一來(lái)，耦合到物質(zhì)表面的光，自然不會(huì)也不需要穿入物質(zhì)體內(nèi)，經(jīng)歷猶如塞車(chē)般的“散射和吸收”，而乖乖地走上了屬于自己的那條表面通路。這個(gè)“光學(xué)拓?fù)溥吔鐟B(tài)”就相當(dāng)于光子的專(zhuān)用“高速公路”，但它并非是一條直線，而像普通道路一樣有大小不等的彎道，光子在這條“高速公路”傳播只能沿著彎曲的道路通行，即在物質(zhì)表面“曲線傳播”，這樣，就改變了光束直線傳播的本性。

圖2. 光/電子高速公路

真可謂“只有想不到，沒(méi)有做不到”，如今，這條光子“高速公路”在科學(xué)家們的不懈探索與創(chuàng)新中，已經(jīng)走進(jìn)現(xiàn)實(shí)，這就是由拓樸學(xué)發(fā)展而來(lái)的“拓樸光子學(xué)”。

奇異特性，彰顯超強(qiáng)本領(lǐng)

在這條光子專(zhuān)用的“高速公路”上，處于“光學(xué)拓?fù)溥吔鐟B(tài)”的光子，只能沿著邊界傳播。與傳統(tǒng)導(dǎo)光介質(zhì)相比，其拓?fù)浔Ｗo(hù)性質(zhì)使光學(xué)拓?fù)浣^緣體具備了許多獨(dú)特本領(lǐng)。

讓光子奔跑“暢通無(wú)阻”。

在光學(xué)拓?fù)浣^緣體中，利用疊加偏振方向相互垂直的兩種光，可以模擬出類(lèi)似電子所具有的自旋特性。如此以來(lái)，在光學(xué)拓?fù)浣^緣體邊緣，“自旋屬性”不同的光波組合將被分別歸屬于不同的“通道”上，避免兩類(lèi)組合之間相互干擾。這樣，光子傳播就從擁擠的“林間小路”升級(jí)為了寬闊通暢的“高速公路”，當(dāng)遇到散射體時(shí)，便不會(huì)“掉頭就走”，即發(fā)生背向散射現(xiàn)象。這樣不僅可以巧妙地實(shí)現(xiàn)“單向通光”的功能，更能夠極大的提高光子中負(fù)載信息的傳輸效率。

讓光束能“拐彎”。

光學(xué)拓?fù)鋺B(tài)是由兩個(gè)具備不同拓?fù)鋽?shù)材料緊密相連構(gòu)成的一個(gè)物質(zhì)界面，這就使得進(jìn)入界面的光子注定只能在“夾縫中求生存”，它只能沿著兩個(gè)物體的接縫處傳播。這樣就可根據(jù)需要，在材料接縫處隨心所欲地進(jìn)行大角度彎折，即便做成諸如“Z”字形狀，光子都能奔跑自如，無(wú)論前進(jìn)道路多么曲折，它都能勇往直前，讓光束“急轉(zhuǎn)彎”也不再是神話(huà)。

圖3. 表面波像沒(méi)有障礙一樣繞過(guò)Z型拐角

讓光子“包容”缺陷。

在傳統(tǒng)認(rèn)知里，光子是一個(gè)“完美派”，所到之處，必須環(huán)境清潔、穩(wěn)定。否則，就會(huì)在傳播中產(chǎn)生散射或吸收，從而使許多光學(xué)實(shí)驗(yàn)無(wú)法正常進(jìn)行，以至造成儀器失靈、實(shí)驗(yàn)失敗。在許多光學(xué)加工及元器件生產(chǎn)中，需要采用超高精度加工手段來(lái)減小對(duì)光束的影響，導(dǎo)致加工和生產(chǎn)成本過(guò)高。如果采用拓?fù)涔庾訉W(xué)方法，則能很好地解決這一問(wèn)題，因?yàn)椤肮鈱W(xué)拓?fù)溥吔鐟B(tài)”十分穩(wěn)定，具有拓?fù)湫缘墓庾蛹词褂龅借Υ没蛉毕輹r(shí)，系統(tǒng)的拓?fù)鋽?shù)也并不會(huì)發(fā)生改變。這種對(duì)缺陷的“包容”性，使得光學(xué)拓?fù)浣^緣體具備很強(qiáng)的抗干擾能力。

軍事應(yīng)用“潛力股”，后發(fā)優(yōu)勢(shì)很明顯

作為一種奇異的光子傳輸狀態(tài)，光學(xué)拓?fù)溥吔鐟B(tài)所具備的獨(dú)門(mén)絕技，是其他的光學(xué)效應(yīng)無(wú)法比擬的。2013年，科學(xué)家們已在實(shí)驗(yàn)室成功研制出首個(gè)光學(xué)拓?fù)浣^緣體。他們巧妙地設(shè)計(jì)出一種獨(dú)特“波導(dǎo)”網(wǎng)格，能顯著減少傳輸過(guò)程中光的散射，為未來(lái)各類(lèi)光學(xué)應(yīng)用打開(kāi)了一扇新的大門(mén)。如今，大量實(shí)驗(yàn)證明光學(xué)拓?fù)浣^緣體所具有的優(yōu)越性能，使其在通信、光集成等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，尤其是在國(guó)防和軍事領(lǐng)域，它已成為軍事競(jìng)爭(zhēng)的“潛力股”，具有十分明顯的后發(fā)優(yōu)勢(shì)。

構(gòu)建超穩(wěn)定光學(xué)通信線路。

現(xiàn)代高速通信的基礎(chǔ)主要采用遍布海底的高速光纜，信號(hào)在極遠(yuǎn)距離中的傳輸與放大一直是制約通信速度提升的核心問(wèn)題之一。當(dāng)光纖對(duì)信號(hào)所產(chǎn)生的背向散射光不斷疊加，又與信號(hào)光同頻率時(shí)，就會(huì)構(gòu)成對(duì)信號(hào)的干擾。如果利用有拓?fù)浔Ｗo(hù)性質(zhì)的光子晶體光纖，就可以有效克服這一困難。因?yàn)?，光學(xué)拓?fù)溥吔鐟B(tài)的單向傳輸特性，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)超高速的光學(xué)信號(hào)傳輸，更重要的是夠?qū)崿F(xiàn)低功率、高保真的超穩(wěn)定通信，這將為未來(lái)一體化信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供有力支撐。

推動(dòng)光子芯片技術(shù)發(fā)展。

現(xiàn)代信息技術(shù)的核心是電子芯片，半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，芯片的性能提升一直遵循著“摩爾定律”，即每18個(gè)月性能提升一倍，但電子芯片發(fā)展并非無(wú)極限。因此，科學(xué)們正嘗試研發(fā)光子芯片，利用光子取代電子成為邏輯運(yùn)算的基本載體，成為新一代具備顛覆性能力的計(jì)算核心。與內(nèi)含銅導(dǎo)線電子芯片不同，它利用光束可沿大角度、低損耗傳輸優(yōu)勢(shì)，可極大提高芯片的性能和信息處理的安全性。一旦研發(fā)成功，這將推動(dòng)新一代光計(jì)算元件開(kāi)發(fā)，提升有關(guān)信息處理能力并實(shí)現(xiàn)完全自主可控。

打造高效激光光源。

激光是利用諧振腔對(duì)種子光的來(lái)回反射實(shí)現(xiàn)光放大，而諧振腔內(nèi)的瑕疵會(huì)影響激光損耗閾值，從而使激光輸出功率大幅降低甚至無(wú)法出光。如果利用光波對(duì)結(jié)構(gòu)缺陷的免疫能力，采用光學(xué)拓?fù)浣^緣體設(shè)計(jì)的諧振腔，則可以完美避開(kāi)腔內(nèi)瑕疵，使激光器工作效率更高、性能更穩(wěn)定。未來(lái)，以拓?fù)浣^緣體激光器為核心的新型有源拓?fù)涔庾悠骷?，將為軍事通信、?zhàn)場(chǎng)感知等信息化作戰(zhàn)領(lǐng)域帶來(lái)顛覆性變革。(作者：王握文、毛元昊 來(lái)源：國(guó)防科技大學(xué))

圖4. 拓?fù)涔鈱W(xué)激光器