FIG. 1: Molina and Thomson及同事开发了三维光子材料将光捕获在二维结构Lieb晶格中，该结构的每个单元由三个位点(A, B, and C) 组成。

想象你自己在一座巨大的建筑物里，迷失在迷宫般的走廊里，试图找到一条出路。再想象一下，无论你尝试什么路线，最后总是回到你开始的地方。虽然你可以四处移动，但事实上你被困在一个有限的空间里。虽然这听起来像是电影中超现实的场景，但这也是研究人员试图捕捉光和其他类型波的一个很好的类比。来自智利圣地亚哥大学(University of Chile, Santiago)的Mario Molina和他的同事[1]，以及来自英国Heriot-Watt大学的Robert Thomson和他们的同事[2]现在报告了他们是如何将光捕获在光子Lieb晶格[3]中的。这表明一定频率的光可以进入晶格点并停留在那里，而不进入相邻的晶格点。该结果为捕获波开辟了新的途径。

波倾向于高速移动，所以捕获它们不是那么简单。但它们显示出一种可用于限制的特性:它们可以相互干扰。如果以适当的方式制造波的运动结构，干涉效应就能制造出完美的波阱。利用干涉来控制结构光子材料中的光，从控制光的方向到减慢光的速度再到捕获光是当前研究的一个课题。在这类材料中，光捕获的可能应用非常广泛，包括光子传感器、光学信号处理、非线性光学元件和微激光器。此外，良好的光学陷阱可用来研究基本效应，如光与粒子在量子态[5]中的耦合。

构建光子材料来控制光的流向的绝妙处在于可以获得的丰富的特性。这些范围从极端的光学不透明到半透明，包括光谱灵敏度，可以是宽的或在特定波长达到峰值。为了获得这些性能，材料应该具有跨越多个长度尺度的结构特征。感兴趣的结构在完全有序和完全随机之间变化，但最近的重点是那些也显示部分有序[6]的结构。一个特殊的例子是一种叫做Levy玻璃的新无序材料，在这种材料中，光波执行分形(非整数)维[7]的随机游走。结构的尺寸影响其光学性能。能够在平面上捕获光并捕获来自三维空间的光的材料可能会在应用在太阳能电池[8]等。

这里提到的光捕捉方案即光可以自由地传播在一个方向上传播比其他方法有优势。方案使用折射率适中的材料，可以更容易地阻止光在其他两个方向上的运动。同样的方法以前也被使用过，例如，在观察光的横向局域时，有两个方向上的无序阻碍了光的传播，而让光在第三个方向上自由传播。在有序的晶体结构中，干涉效应可以限制无序介质中的光。但是在无序的情况下，由于一种叫做安德森局域的复杂现象，光俘获的物理机理要复杂得多，安德森局域是一种干涉现象可以形成具有高度空间局域性的随机光学模态。

结构有序和无序的工程材料会产生新的现象。例如，有人预测，具有一定随机性的有序光子晶体可能表现出一种特殊的强局域性。这一现象是基于有序结构在一定频率窗口内减慢波的能力，这将使材料的无序部分更容易创建局部模式。然而，到目前为止，实验人员还不能观察到这种效应。Molina和Thomson研究小组所使用的系统可能提供了一种实现类似的有序无序局域方案的方法。一种可能的方法是使原本有序的Lieb晶格变得无序。另一种方法是不改变有序的Lieb晶格，在三维空间中引入无序，这种无序很容易产生沿光传播方向的一维安德森局域化。加上光在二维Lieb晶格中的局域，这将提供一个完整的三维光阱。

总之，作者的研究结果为在结构光子材料中开发替代光捕获方案提供了启发。这种方案可用于制作具有特殊模态特性的光纤，或在第三维传播受阻的情况下制作光学微腔。在基础物理方面，这些结果为研究光子学中有序与无序的相互作用开辟了新的途径。

Diederik Wiersma, European Laboratory for Non-Linear Spectroscopy, University of Florence, 50019 Florence, Italy

June 15, 2015• Physics 8, 55

References

1. Rodrigo A. Vicencio, Camilo Cantillano, Luis Morales-Inostroza, Bastián Real, Cristian Mejía-Cortés, Steffen Weimann, Alexander Szameit, and Mario I. Molina, “Observation of Localized States in Lieb Photonic Lattices,” Phys. Rev. Lett. 114, 245503 (2015)

2. Sebabrata Mukherjee, Alexander Spracklen, Debaditya Choudhury, Nathan Goldman, Patrik Öhberg, Erika Andersson, and Robert R. Thomson, “Observation of a Localized Flat-Band State in a Photonic Lieb Lattice,” Phys. Rev. Lett. 114, 245504 (2015)

3. E. H. Lieb, “Two Theorems on the Hubbard Model,” Phys. Rev. Lett. 62, 1201 (1989)

4. D. S. Wiersma, “Disordered Photonics,” Nature Photon. 7, 188 (2013)

5. M. Brune, F. Schmidt-Kaler, A. Maali, J. Dreyer, E. Hagley, J. M. Raimond, and S. Haroche, “Quantum Rabi Oscillation: A Direct Test of Field Quantization in a Cavity,” Phys. Rev. Lett. 76, 1800 (1996)

6. M. Florescu, S. Torquato, and P. J. Steinhardt, “Designer Disordered Materials with Large, Complete Photonic Band Gaps,” Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 106, 20658 (2009)

7. P. Barthelemy, J. Bertolotti, and D.S. Wiersma, “A Lévy Flight for Light,” Nature 453, 495 (2008)

8. M. D. Kelzenberg et al., “Enhanced Absorption and Carrier Collection in Si Wire Arrays for Photovoltaic Applications,” Nature Mater. 9, 239 (2010)

9. H. de Raedt, A. Lagendijk, and P. de Vries, “Transverse Localization of Light,” Phys. Rev. Lett. 62, 47 (1989)

10. T. Schwartz, G. Bartal, S. Fishman, and M. Segev, “Transport and Anderson Localization in Disordered Two-Dimensional Photonic Lattices,” Nature 446, 52 (2007)

11. E. Akkermans and G. Montambaux, Mesoscopic Physics of Electrons and Photons (Cambridge University Press, Cambridge, 2007)[Amazon][WorldCat]

12. S. John and Electromagnetic Absorption in a Disordered Medium near a Photon Mobility Edge, ” Phys. Rev. Lett. 53, 2169 (1984)