2019年12月18日，上海交大叶芳伟课题组最新研究成果以“Localization and delocalization of light in photonic moiré lattices”（《光子莫尔晶格中波包的局域和非局域》）为题在线发表于国际顶尖期刊《自然》。

上海交大物理与天文系教授叶芳伟带领的课题组长期研究微纳尺度上光和物质相互作用的新物理，探索光控的新途径。他指出，把光局域住的传统方法包括全反射、能带带隙引导、安德森局域、非线性响应等。此次，叶芳伟课题组和陈险峰课题组合作，以光波的局域为例，率先发现了一种全新的波包局域机制，并首次制作出了把光波“定”住的莫尔材料。

世界上存在各种波——不管是声波、水波，还是电磁波、引力波、物质波——总是倾向于向周围扩散。因此，控制波的扩散使其局域在某个有限的空间之内是一个长期存在的重要科学问题。

此前，研究石墨烯的科学家发现，由两层石墨烯堆叠而成的莫尔结构在某个特定的转角下，呈现出超导性：电流在其中流动时完全没有损耗。从绝缘体变成超导体，莫尔晶格从根本上改变材料的性质。此后，科学家研究了其他各种各样的莫尔结构，发现了莫尔晶格更多新奇独特的物理性质，并形成了一个专门的研究方向：twistronics（扭曲学）。

叶芳伟解释，莫尔条纹在生活中十分常见。将两个周期结构重叠在一起、并且彼此之间转过一定的角度，人们会在其上看到明暗相间的条纹，就是莫尔条纹。两面相同的纱窗交叠，影影绰绰形成的条纹，也是莫尔条纹。

拿起两把梳子（左图），将其重叠并相互转过一个小角度，便能看到明暗相间的条纹——莫尔条纹（右图）。

尽管关于莫尔晶格的研究如火如荼，但一个根本的科学问题一直悬而未决：波在莫尔晶格中如何演化？

叶芳伟透露，大概在3年前，课题组就已经从理论层面预言了莫尔晶格的相关现象。经过两年时间，课题组里的博士生王鹏利用光学诱导的办法，将两个周期晶格刻入到同一块晶体中，得到了首个高度可调的光子莫尔晶格。

借助于该莫尔晶格的连续可调性，并通过大量的数值模拟和实验证实，课题组发现了波包在莫尔晶格中的演化规律：随着两个周期晶格的相对权重和它们之间相对转角的变化，波包在莫尔晶格中演化时，出现了波形散开和局域的急剧变化。

王鹏制作出的光子莫尔晶格，既能“定”住光波，也能让光波散开。这意味着，光束能被莫尔晶格局域和非局域。

下一个问题被提了出来：为什么？

通过严格的理论分析并辅助以大量的数值模拟，课题组发现，除非莫尔转角刚好落在某些离散的特殊角度上，在一般情况下，莫尔晶格对应的准能带结构中各级能带都是极平带（extremely flat bands），因此光子在莫尔晶格里失去了动能，自然无法扩散，只能局域。

莫尔晶格中的局域和人们已知的其他环境下的局域在机制上完全不同，它代表了一种全新的局域方式。

叶芳伟指出，接下来需要考虑这种全新方式是否具有普遍意义。

为此，课题组还研究了其他形形色色的莫尔晶格，通过大量的测试，发现了光子在莫尔晶格中的局域以及特殊莫尔角下的散开其实是莫尔晶格的一种共性。

这意味着莫尔晶格提供了对光控制的一种全新手段。

叶芳伟解释，与已知的传统方法相比，莫尔晶格提供的局域方式更加简单易行——它既不需要较强的折射率反差，也不需要特殊的结构设计，更不依赖于较强的激光功率，但同时它又具有高度的可调性——通过简单的莫尔转角的调节，光子可以自由地从“静止”转为“运动”，也可将其从“缓慢”的运动转为高速的“运动”。因此，莫尔晶格为未来的光束控制、图像传输、信息处理提供了一种更加简单易行的手段，也为研究低功率下的非线性光学提供了一个易于执行的平台。此外，光子莫尔晶格的研究也为二维材料和冷原子系统中莫尔晶格的研究提供了极其有益的借鉴。

“从科学意义上来说，这个研究发现了一种新的波包局域的机制，打响了光子莫尔材料研究的第一枪。未来应用方向主要是图像传输、光学操控、信息处理等。”叶芳伟表示，如果光子莫尔晶体的成本进一步降低、技术进一步成熟，有可能代替光纤材料等传统材料进行图像传输，但这仍需进一步论证。

12月18日，该研究成果以“Localization and delocalization of light in photonic moiré lattices”为题在线发表于国际顶尖期刊《自然》。论文的第一作者是博士生王鹏和助理研究员郑远林。论文的合作者包括上海交通大学教授陈险峰、山西长治学院博士黄长明、 Dr Yaroslav Kartashov（俄罗斯）, Prof Lluis Torner（西班牙）和 Prof Vladimir Konotop（葡萄牙）。叶芳伟是论文的通讯作者，上海交通大学是论文的唯一通讯单位。

 
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1851-6
 

来源：光行天下

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