光子是一個(gè)能量包，它是量子力學(xué)的基礎(chǔ)。聲子是幾個(gè)原子的集體振動(dòng)，這兩個(gè)概念在物理學(xué)中都非常重要。此外，光子理論是大多數(shù)現(xiàn)代物理學(xué)所依賴的基本理論。

近日，紐約城市學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種將兩種不同狀態(tài)的物質(zhì)結(jié)合起來(lái)的新方法。他們第一次將光子和聲子相結(jié)合，并以穩(wěn)健和可控的方式控制它們的傳播。

該研究利用了拓?fù)涔庾訉W(xué)，這是光子學(xué)的一個(gè)新興方向。它利用了數(shù)學(xué)拓?fù)漕I(lǐng)域關(guān)于守恒量的基本思想—拓?fù)洳蛔兞?，即在連續(xù)變形下改變幾何物體的部分時(shí)保持不變的守恒量。這種不變量的一個(gè)最簡(jiǎn)單的例子是洞的數(shù)量，例如，從拓?fù)涞慕嵌葋?lái)看，這使得甜甜圈和馬克杯等價(jià)。

拓?fù)湫再|(zhì)賦予光子螺旋性，當(dāng)光子在傳播時(shí)自旋，會(huì)出現(xiàn)一些獨(dú)特的性能。由于與晶體振動(dòng)的相互作用，這些螺旋光子可以利用振動(dòng)引導(dǎo)紅外光。

這項(xiàng)研究的意義重大，特別是允許研究人員推進(jìn)用于確定分子振動(dòng)模式的拉曼光譜。該研究還為振動(dòng)光譜(也稱為紅外光譜)帶來(lái)了希望，它通過(guò)吸收、發(fā)射或反射來(lái)測(cè)量紅外輻射與物質(zhì)的相互作用。而且，還可利用它來(lái)研究、識(shí)別和表征化學(xué)物質(zhì)。

研究的主要作者、CCNY格羅夫工程學(xué)院物理學(xué)家Alexander Khanikaev說(shuō)：“我們將螺旋光子與六方氮化硼中的晶格振動(dòng)耦合，創(chuàng)造了一種新的混合物質(zhì)，稱為聲子—極化激元(phonon-polaritons)。它一半是光，一半是振動(dòng)。由于紅外光和晶格振動(dòng)與熱有關(guān)，我們創(chuàng)造了光和熱一起傳播的新通道。”

新方法還可以實(shí)現(xiàn)定向輻射傳熱，這是一種通過(guò)電磁波散發(fā)熱量的能量傳遞形式。

該研究論文題為“Topological phonon-polariton funneling in midinfrared metasurfaces”，已發(fā)表在Science上。

關(guān)鍵詞： 結(jié)合 新方法 光子 科學(xué)家