光子晶体中的伪引力效应

文章来源：物理研究更新

原文作者：大锅天眼

光子晶体是一种人造的周期性结构，它可以对特定频率范围内的光产生强烈的反射或透射。如何用光子晶体来模拟引力呢？改变光子晶体的形状或大小，从而改变其周期性。这样做会导致能带结构发生变化，并且影响光在其中传播时所受到的有效势能。如果我们选择合适的参数，我们就可以让这个有效势能类似于引力场，并且让光线沿着弯曲的轨迹运动。这就是伪引力效应。

我们都知道，光是一种电磁波，它可以在真空中以恒定的速度传播。但是，当光遇到不同的介质时，它的速度和方向可能会发生变化。这就是为什么我们看到水中的物体会发生折射，或者空气中的水滴会形成彩虹的原因。这些现象都可以用光的折射率来解释，它是一种描述介质对光的影响程度的量。

但是，有没有可能让光在没有任何介质的情况下也发生折射呢？换句话说，有没有可能创造出一种虚拟的折射率，让光仿佛在一个弯曲的空间中传播呢？这听起来很像爱因斯坦的广义相对论，它告诉我们，引力可以弯曲时空，并且影响光线的路径。事实上，我们已经观察到了引力透镜效应，即远处的恒星或星系被靠近我们的大质量天体所弯曲和放大。

那么，我们能不能在实验室里模拟出引力对光的影响呢？答案是肯定的，而且方法之一就是使用光子晶体。

光子晶体

光子晶体是一种人造的周期性结构，它可以对特定频率范围内的光产生强烈的反射或透射。这就像晶体对电子做的那样，只不过这里是光而不是电子。光子晶体可以有不同的维度和形状，例如一维的布拉格反射器，二维的平面波导或三维的光子带隙材料。

光子晶体有很多有趣和有用的性质，例如负折射率、超透镜效应、缓慢光和自旋霍尔效应等。这些性质都可以用光子晶体的能带结构来理解，它描述了光在光子晶体中传播时所能具有的能量和动量。

伪引力效应

那么，如何用光子晶体来模拟引力呢？一个简单的想法是改变光子晶体的形状或大小，从而改变其周期性。这样做会导致能带结构发生变化，并且影响光在其中传播时所受到的有效势能。如果我们选择合适的参数，我们就可以让这个有效势能类似于引力场，并且让光线沿着弯曲的轨迹运动。这就是伪引力效应。

伪引力效应并不是新鲜事物，在声学、机械和电磁领域都有类似的现象被报道过。例如，在变形后的声子晶体中，声波可以被弯曲和聚焦；在非均匀的介电波导中，电磁波可以被等效的洛伦兹力所偏转。

实验

在一篇论文中，研究人员使用了一种二维的硅光子晶体，它由一个正方形的晶格组成，每个晶胞中有一个圆形的空气孔。作者通过改变晶格的边长和孔径，来实现光子晶体的空间畸变。他们使用了三种不同的畸变模式：径向压缩、径向拉伸和切向扭曲。这些畸变模式分别对应于不同的伪引力场：吸引、排斥和旋转。

研究人员使用了太赫兹时域光谱仪来测量光子晶体对太赫兹波的透射特性。他们发现，在畸变后的光子晶体中，太赫兹波的透射谱发生了明显的变化，并且出现了一些新的透射峰或谷。这些透射峰或谷可以用有限差分时域法（FDTD）来模拟，并且与实验结果吻合得很好。作者进一步分析了太赫兹波在畸变后的光子晶体中的传播路径，并且发现它们确实遵循了伪重力场所决定的轨迹。

总结

这篇论文只基于经典的电磁学和相对论来理解和解释伪引力效应，并没有考虑量子效应和非线性效应。然而，在实际应用中，可能需要考虑量子效应和非线性效应，并且可能出现一些新奇和意想不到的现象。

这篇论文为在芯片上控制光线的传播提供了一种新颖和灵活的手段，也为研究引力和电磁相互作用提供了一种平台。例如，利用伪引力效应，可以实现光线的弯曲、聚焦等功能，从而实现光学的逻辑运算、信息处理和通信等应用。另一方面，利用伪引力效应，也可以模拟一些引力理论中的现象，如黑洞、引力透镜、引力波和霍金辐射等，从而探索引力和量子力学之间的关系。

审核编辑：汤梓红