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走近光子晶体五彩斑斓的颜色是如何产生的?

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发表于 2019-9-16 05:36:57 |显示全部楼层
  科技是国家强盛之基,创新是民族进步之魂。进入21世纪以来,全球科技创新进入空前密集活跃的时期,新一轮科技革命和产业变革正在重构全球创新版图、重塑全球经济结构。
  南科大校长陈十一认为,为促进大众科技认识的提升和科学精神的培养贡献高校力量,南科大在这一方面必须有所作为,有所担当。如今,在粤港澳大湾区的崛起带来了打造世界级高校集群、推动湾区科技创新腾飞的时代背景下,南科大愿以探路者的姿态,举起创新科普文化、推动科技传播的大旗,依托学校专才集聚的一流师资,全面专业的学科布局、国际领先的学术成果、深度融合的产学研体系等优势资源,着力打造高科技知识科普平台,普及科学知识、倡导科学方法、传播科学思想、弘扬科学精神、点燃科学之光。
  即日起,由南科大教授会牵头,集结学校有志于科普事业和文化传播的师生之力,依托南科大官网、官微和学生组织自媒体平台,我们推出“十万个高科技为什么”系列科普报道。不同于中国青少年科普丛书《十万个为什么》,此系列更侧重于面向中学生及以上的青年读者和社会大众,着力聚焦前沿科技领域,普及高科技知识,共享高科技力量,在全社会推动形成讲科学、爱科学、学科学、用科学的氛围。
  随着5G、云计算、AI等技术的发展,高科技已经深入到生活和社会的方方面面。我们希望过“十万个高科技为什么”科普系列报道,连接科学与人文、过去与未来、精英与大众、科技与应用,让高科技知识“飞入寻常百姓家”;同时进一步推进南科大各学科领域之间、南科大与各高校之间、南科大与社会大众之间的跨学科、跨院校、跨领域的文化交流与协同创新;并为培养具有科学精神与创新能力的时代新人提供思考和启发。
  湖蓝、草青、枫红、橘黄,大自然中的颜色妙不可言。那么你知道怎么让物体呈现特定的颜色吗?
  白光是一种混合光,包含赤橙黄绿青蓝紫多种波长组分。白光照射到物体表面会呈现不同的颜色,是因为不同波长反射光的反射的比例不同,要调控反射光的颜色方法可以多种多样。巴黎圣母院的玫瑰窗之所以呈现彩色,是因为玻璃中掺杂着尺寸大小不同的金属颗粒,由于表面等离激元共振的原理可以散射出不同颜色的光;而树叶之所以呈现绿色,是因为树叶把其它颜色的光吸收了,只把绿色反射出来。
  古时候,人们就能使用天然染料得到与物质本身不同的颜色,《荀子·劝学》有云譬如“青,取之于蓝,而青于蓝”,但是这受到大自然的约束,人们并不能随心所欲地创造更为复杂的颜色。随着化学科技的巨大发展,丰富多彩的颜料被合成出来,并进一步用于各类装饰、印刷和包装等行业。
  与此同时,大自然有更为精妙的的智慧。自然界中的蝴蝶翅膀、变色龙的皮肤、鸟的羽毛、猫眼石也呈现着鲜艳颜色。与上述其它调色的方法不同,这些颜色是源于周期性排列的微观结构,其尺寸与光的波长相仿,这种结构材料,我们称之为光子晶体 (Photonic Crystal)。
  自然界中的光子晶体:南美蓝色晶闪蝴蝶(Morpho Didius Butterfly)的翅膀。 (a) 光学镜头下蝴蝶的翅膀;(b)-(d) 电子显微镜下蝴蝶翅膀的微观结构。(c) 电子显微镜下蝴蝶翅膀的鳞片45度角视图;(d) 电子显微镜下蝴蝶翅膀的鳞片90度角视图,细微结构仅有100纳米级别。
  早在1887年,英国的瑞利爵士(获1904年诺贝尔物理学奖),就揭示了一维周期性结构的光学特性。而光子晶体这一概念在1987年才被Eli Yablonovitch 和 Sajeev John 两位科学家的团队独立提出。根据介质材料周期排列的方式,可分为一维、二维、三维光子晶体。
  简单来说,不同物质的折射率也不一样。光在穿过两种物质之间的界面时,会发生部分反射。
  当两层薄膜的厚度满足特定关系的时候,就可以让某一频率范围的光完全反射回去,从而产生特定的视觉颜色。
  从光学的角度来看,光每穿过两层之间的界面时都会发生部分反射,在周期性的多层薄膜里,这许许多多的反射光束一起发生了相互干涉。
  介质多层薄膜(如二氧化硅、二氧化钛交替的薄膜)对光的吸收通常很小,前向传播的某些颜色的光被反射,也就产生了色彩。
  利用这类原理,我们可以设计出彩色镜片、彩色水晶首饰等。针对不同电磁波波长,我们还可以设计出反射X射线、红外光、甚至微波的器件。与化学颜料呈现的色彩相比,这类光子晶体结构产生的颜色更加稳定持久。只要结构本身不被破坏,其呈现的颜色就一直鲜艳。
  人们有个梦想,几千乃至万年后,我们的后人依旧能欣赏我们创作出的彩色作品,而光子晶体或许就是那种理想的材料。
  那么,为什么把周期性的介质薄膜称为“光子晶体”呢?这得从“晶体”开始说起。
  晶体是自然界中很常见的一种物质形态,是固体物理研究的主要对象之一,往往由组成该物质的原子等按一定规律周期性排布起来形成。比如说,食盐的晶体就是钠离子和氯离子交错占领立方体的八个顶点堆积而成,钻石是碳原子按一定规律密堆起来的。晶体内原子的种类、堆积方式和他们之间的相互作用不同,就导致了晶体性质的千差万别,如导电性、导热性、延展性、机械强度等等。
  虽然光子晶体是人造的,但是其光子晶体中“人工原子”周期性的排列之于光的传播与传统晶体之于电子运动有很多可类比之处。比如,二者都存在禁带、自旋等现象。因此,“光子晶体”这一概念作为传统晶体在光学范畴内的类比,也就诞生了。
  我们日常生活中的材料虽然不太起眼,但其实科学技术的重大突破往往起源于人们对材料性质的深入理解,人类演化史也是材料演化史。
  我们的祖先从石器时代一路走来,最初只能应用大自然中的原始材料;之后,人们在实践中不断认识和改造自然,冶炼金属、锻造合金、烧制陶瓷、发明塑料等,材料变得琳琅满目。我们有了更丰富的选择,从而有更大的能力创造新的世界。
  自17世纪以来,牛顿、托马斯-杨、詹姆斯-克拉克-麦克斯韦等科学家为光的颜色以及如何控制可见光的传播所着迷。然而,光学材料加工技术限制了前人对光的颜色控制的自由度。
  20世纪以来,半导体技术的高速发展,特别是晶体管的发明,将人们带入信息时代,其影响之深远不言而喻。
  随着现代纳米加工技术进步,通过激光3D打印、激光干涉、电子束曝光、离子束刻写、X-射线刻写等等微纳米加工技术,可以将不同或同种材料,按照不同的排列方式(晶体、准晶体)制备成三维空间的光子晶体。我们可以更加灵活地操控光的反射、折射、散射、衍射等特性。
  目前,光子晶体已经被广泛用于生物成像、光谱学、光全息成像、人脸识别、激光雷达技术、虚拟现实、增强现实等众多光电领域。
  光子晶体,借鉴了固体物理中人们对电子行为的控制经验,将极大地增强人们对光子的控制能力,为人工光学材料(artificial photonic materials) 所可能带来的技术革命奠定重要基础。光子晶体的概念还可以推广到不同电磁波波段,亦可用于设计声子晶体等波动材料器件。
  通过光子晶体,我们可以完美地控制一束光,让它沿预定的方向在光子芯片上传输、受调制。可以想象,这或将为未来的芯片上光计算、光信息传输等领域提供重要方案。
  南科大海洋科学与工程系教授刘青松通读全文并提出了宝贵修改意见,中山大学鸟类学专家刘阳教授在蝴蝶分类方面提供了指导。
  李贵新,南方科技大学材料科学与工程系副教授、深圳量子科学与工程研究院研究员。2016年第十二批国家特聘专家(青年)入选者。1999-2006毕业于北京师范大学物理系获学士、硕士学位,2009年于香港浸会大学物理系取得博士学位。曾于香港浸会大学、伦敦帝国理工学院、英国伯明翰大学、德国帕德博恩大学等研究机构任博士后、研究助理教授等职。研究兴趣包括光学超构表面、非线性光学等。
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