1月3日消息，美国加州大学创造出新型液体光子晶体，或成为计算技术的未来。这将有利于实现功耗更低的全光学晶体管，并带来更强大的计算机。
（图片来源：麻省理工学院）
光子晶体，被预期将成为21世纪的奇迹之一。在20世纪，对于电子能带结构的新认识彻底改变了全世界。能带结构是决定固体是导电还是绝缘的一个物理学知识。光子晶体的理论研究始于上世纪80年代末期。虽然1987年Yablonovitch和John就提出了光子晶体的概念，但直到1989 年，Yablonovitch和Gmitter首次在实验上证实三维光子能带结构的存在，物理界才开始大举投入这方面的理论研究。由于光子晶体有类似电子晶体的结构，人们通常采用分析电子晶体的方法结构电磁理论来分析光子晶体的特性，并取得了和试验一致的结果。主要的方法有：平面波展开法（planewaveexpansionmethod简称：PWM）、传输矩阵法（transfermatrixmethod简称：TMM）、有限差分时域法（finitedifferencetimedomain简称：FDTD）和散射矩阵法（scatteringmatrixmethod简称：SMM）等。
（图片来源：维基百科）
当同样的物理学知识应用到光子晶体上时，我们就能以类似控制电子的方式来控制光线。如果光子晶体履行它们的承诺，功耗更低的全光学晶体管将成为现实，并带来更强大的计算机。但是，目前这仍然是一个遥不可及的目标。其中一个问题在于控制。我们能对电子集成电路的制造实施精细控制，而且半导体与电子都非常灵活，如果你想要改变电子的能量，施加一个电压就可以。
控制光子晶体的制造则要难得多。每一个微小的结构都要被制造出来，并被精确地复制和放置。光子晶体一旦制造成功，就不会发生改变，这样就非常僵化。同样地，光子能量也无法像电子能量那样被高效地改变。因此，如果光子晶体要成为计算技术的未来，我们必须学会以一种可动态改变它们的方式来控制它们。
在《先进光子学（Advanced Photonics）》杂志上发表的一篇新论文中，美国加州大学圣迭戈分校的 Shimon Rubin 和 Yeshaiahu Fainman 用液体创造出一款灵活且耐用的光子晶体，证明了这是有可能实现的。他们执行了一系列的运算，基于液体薄膜中非常局部化的加热，来预测光子晶体的组成和性能。
（图片来源于研究人员）
液体通常不被认为是光子晶体的一个好选择，因为液体没有固定的结构。一个光子晶体的光学特性，取决于光线要能够反映出数百万个精确放置的结构。但是液体起伏涨落，所以结构很快就会被冲掉。
然而，Rubin 和 Fainman 表示，在一个超薄液体膜和一个固体或气体的界面处，液体表面张力和局部温度之间的相互作用会创造出一个小型结构（例如，液体堆积成小山丘）。然而，尚不清楚结构是否足够明显，以至于能够像超表面（一种光子晶体）一样工作，并改变光线的传播。
研究人员研究了液体薄膜的几种布置，它使得光线在液体内被轻而易举地引导（至少是部分地）。为了获取一个结构，研究人员考虑了光线吸收会如何加热液体。他们采用在薄膜内以不同角度相互交叉的光波，创造出一种明暗相间的色斑图案，该图案被称为“驻波图案”。这种液体只从明亮的色斑吸收能量，只有非常特殊部位的液体才会变热。
研究人员采用液体的光学与热学特性，结合流体动力学方程和光学传播来计算液体吸收的热量，以及它是如何引起局部形变的。研究人员证明了液体膜中周期性的山丘与山谷排列，可通过两个或者四个光波之间的交叉来获取。两个光波会创造出山谷和山丘的直线排列，三个光波会创造出山丘和山谷的六边形排列，四个光波会创造出棋盘式排列。然后，利用这些空间排列可计算出光学特性。
为了证明他们提议的超表面的作用，研究人员计算了一个激光器的阈值。如果像染料一样的增益介质被添加到液体中，上述的液体周期性形变会导致形成谐振器，能支持激光模式。改变光子液态晶体的对称性，可以控制激光模式的频率和发射方向。
液态光子晶体似乎拥有许多非常好的特性。因为光线可用于在液体中创造图案，图案自然形成并且没有错误。此外，通过改变光波之间的角度，或者用于创造图案的光线波长，图案可被动态改变。甚至连运动的图案也可以通过调节这些光波中的某一个来创造。这种内在的灵活性将带来许多有意思的应用，例如计算和医疗服务。然而，这个方案的成功将取决于这一基本概念的物理论证。
预言总是很难实现。但是，光子晶体电路和装置的未来看起来却是确信无疑的。五年之内，许多光子晶体的基本应用将会在市场上出现。在这些应用中，将会有高效光子晶体激光发射器和高亮度的发光二极管。而当每个家庭都连接到一个光纤网络的时候，与如今"视顶盒"类似的解码信号设备将使用光子晶体电路和装置而不是笨重的光纤和硅回路。在五到十年的范围内，我们应该制造出第一个光子晶体"二极管"和"晶体管"；在光子晶体十到十五年里，我们能制造出第一个光子晶体逻辑电路并使之占有主要地位；在接下来的二十五年内，由光子晶体驱动的光子计算机应该可以制造出来。令人惊奇的是，合成蛋白石甚至可以在珠宝和艺术品市场上找到生存环境；并且光子晶体薄膜能贴在信用卡上作为防伪标志。
