長期以來，科學(xué)家一直在尋找一種材料，能讓光的行為像半導(dǎo)體中的電子一樣�，F(xiàn)在，科學(xué)家似乎找到了一種能大規(guī)模生長這種材料的方法，并有望推動(dòng)計(jì)算領(lǐng)域的進(jìn)步。
物理學(xué)家Eli Yablonovitch曾在1987年預(yù)測了一種叫做“光子帶隙晶體”(photonic bandgap crystal，PBC)的材料，可以像微電路處理電子信號一樣處理光子[1]。從那之后，研究人員微細(xì)加工出了一維和二維版本的PBC[2]，并找到了若干應(yīng)用場景。雖然可以通過直接微細(xì)加工制造出一些小型的PBC[3]，但是大型的三維PBC材料仍然可見不可及，以至于它潛在的應(yīng)用——新一代計(jì)算機(jī)等——也沒能出現(xiàn)。何明昕等人在《自然》上發(fā)文報(bào)告[4]，他們生長出了一種蛋白石樣晶體，擁有PBC所要求的罕見結(jié)構(gòu)：透明微粒子像金剛石中的碳原子一樣排列。若要構(gòu)建可用的PBC，需要把這些材料當(dāng)成模具，從而形成瑞士奶酪一樣的“反蛋白石”結(jié)構(gòu)——在當(dāng)前晶體包含粒子的地方形成空洞。
為了解釋PBC和半導(dǎo)體這類材料的物理性質(zhì)，想象你正在一片犁出溝的土地上奔跑，如果你的步長和溝的間距一致，你可以選擇兩個(gè)速度中的一個(gè)：每次踩在溝的頂部，這樣跑得比較快;每次踏在泥濘的溝里，這樣跑得比較慢。類似地，當(dāng)一道波穿越疏密“溝”相間的周期性介質(zhì)時(shí)，它同樣有兩種傳播方式：波峰踩在介質(zhì)的峰上，或是波峰踏進(jìn)介質(zhì)的谷底。一般來說，這樣的波有兩種可能的能量，分別對應(yīng)這兩種傳播方式;任何波的能量都不可能取到二者之間的值。
在三維晶體里，這些溝的間距和間隙能量取決于波的傳播方向與晶格軸之間的夾角。但對于某些晶體來說，在一段波能量范圍內(nèi)，波在任何方向上都無法傳播，這段能隙也被稱為“帶隙”(bandgap)。在硅晶體半導(dǎo)體中，波就是電子，帶隙意味著特定能量的電子不可能存在，晶體管一類的元件便應(yīng)運(yùn)而生——這種小開關(guān)在現(xiàn)代電子器件中無處不在。
圖1 | 生長蛋白石樣晶體，該晶體具有研究人員長期追求的類似于金剛石的結(jié)構(gòu)。a，何明昕等人[4]合成了一種微觀塑性粒子：四個(gè)球體合并成一個(gè)四面體形狀，每個(gè)面的中心都有一塊凹陷的粘性貼片。圖中的部分粘性貼片被標(biāo)成了藍(lán)色。b，當(dāng)懸浮在水中的時(shí)候，這些粒子之間就會(huì)由粘性貼片粘在一起，自發(fā)形成蛋白石樣的有序材料，而這些粒子的排列也類似于晶體中原子的排列方式。在圖中所示的晶體中，這些粒子模仿的是金剛石中碳原子的排列。比例尺是1µm�！ ablonovitch從理論上證明了光波也有類似的帶隙現(xiàn)象，但這種現(xiàn)象只存在于少數(shù)與金剛石晶格相似的晶體結(jié)構(gòu)中，而且必須由特定透明材料制成的微觀粒子構(gòu)成。碰巧的是，這種尺度的微粒子通常會(huì)自發(fā)排列成類似的有序結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)被稱為膠體晶體(colloidal crystal)。事實(shí)上，蛋白石就是自然形成的硅粒子化石膠體晶體，而蛋白石所發(fā)出的光澤就是源于上面提到的能隙。當(dāng)光線射到蛋白石上，一些光子的能量(對應(yīng)一種顏色)正好處于帶隙之中。這種光子無法進(jìn)入晶體，便達(dá)到了近100%的反射率。帶隙能量(以及反射的顏色)取決于入射光的方向，給了蛋白石特有的“火焰”色。
上世紀(jì)90年代，人們樂觀地認(rèn)為有一種簡單的方法能制造出類似金剛石的膠體晶體，但事實(shí)上，需要二十多年的積淀和多次技術(shù)革新[5]，才讓何明昕等人的成果有了實(shí)現(xiàn)的可能。在金剛石晶格中，每個(gè)粒子都和四個(gè)最近的相鄰粒子等距相連。但要形成金剛石，每個(gè)粒子只與四個(gè)相鄰粒子相連是不夠的。當(dāng)兩個(gè)粒子接近時(shí)，它們還必須旋轉(zhuǎn)到正確的角度，這樣和它們相連的其他六個(gè)粒子才能達(dá)到正確的相對取向。
為完成這一艱難操作，何明昕等人合成了一種有點(diǎn)像充氣動(dòng)物氣球的微觀塑性“積木”。每塊積木由四個(gè)球體構(gòu)成一個(gè)四面體。四面體每個(gè)表面中央都有一塊凹陷的粘性貼片(圖1a)。當(dāng)這些積木懸浮一滴水中，通過粘性貼片連接起來的積木會(huì)被迫按照需要的角度排列。于是，這些粒子就能自發(fā)組成高度有序、穩(wěn)定的晶體，并具有研究人員一直夢寐以求的金剛石結(jié)構(gòu)(圖1b)。
作者目前合成出的晶體僅有約10萬個(gè)粒子，重量不到1微克。不過，將他們的工藝推廣到大規(guī)模應(yīng)當(dāng)沒有什么困難。到那時(shí)，只要用化學(xué)方法向這些晶體的空隙中填滿純硅(對應(yīng)紅外線)或二氧化鈦(對應(yīng)可見光)，并將這些粒子溶解掉就可以了。
PBC最令人激動(dòng)的一種潛在應(yīng)用是量子計(jì)算機(jī)。在量子計(jì)算機(jī)里，經(jīng)典計(jì)算機(jī)儲(chǔ)存0或1的數(shù)字比特變成了可以同時(shí)取0和1的量子比特(qubit)。這種替代讓密碼破譯時(shí)遇到困難的許多組合問題可以用量子比特快速解決。建造實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)的挑戰(zhàn)在于如何把許多量子比特連接起來，這通常會(huì)用到光學(xué)信號，此外還要將量子比特隔離開來，以防它們被外界的干擾打亂。
在PBC微電路中繞一圈光子能解決第一個(gè)問題，而且二維PBC已經(jīng)被用來建造量子裝置的原型機(jī)了[6]。但是因?yàn)槟壳暗牧孔庸鈱W(xué)電路板都是很薄的二維片，因此性能也會(huì)受限——光子可能會(huì)漏出來，外界的干擾也可能漏進(jìn)去。同時(shí)解決這兩個(gè)問題有一個(gè)簡單辦法，那就是用兩片三維PBC板夾住這些電路。從更大的角度看，大型PBC還能讓各種技術(shù)用于制造大型量子系統(tǒng)[7]、利用光線進(jìn)行控制，以及與經(jīng)典電子器件的接口[8]。PBC技術(shù)的最終潛力和應(yīng)用場景可能要看我們的想象力到底有多豐富了。
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