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如何“定住”光束？交大课题组揭示莫尔晶格中波的演化规律[图]
上海教育新闻网报道 我们在高中都学过“光的波粒二象性”，光电效应证明了光的粒子性，光的干涉、衍射现象证明了光的波动性，实际上，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，这种“波的扩散”是否是可控的？
无处不在的散开现象：跟烟雾会自然地散开一样（a），声音（b）、水波（c）、激光光束（d）都会散开。散开是各类波的普遍特性，因此，如何将波局域住是一个很重要的科学问题
12月18日，国际顶尖期刊《自然》在线发表开云网页登录 叶芳伟课题组的最新研究成果，揭示了波包在莫尔晶格中的演化规律，并发现在一般情况下，莫尔晶格对应的准能带结构中各级能带都是极平带（extremely flatbands），因此光子在莫尔晶格里失去了动能，无法扩散，只能局域。
该研究成果以“Localization and delocalization of light in photonic moiré lattices”为题在线发表于《自然》。
该研究成果以“Localization and delocalization of light in photonic moiré lattices”为题，论文的第一作者是王鹏博士生和郑远林助理研究员。论文的合作者包括开云网页登录
陈险峰教授、山西长治学院黄长明博士、 Dr Yaroslav Kartashov（俄罗斯）, Prof Lluis Torner（西班牙）和 Prof Vladimir Konotop（葡萄牙）。叶芳伟教授是论文的通讯作者，开云网页登录
是论文的唯一通讯单位。
什么是莫尔晶格？
莫尔晶格在生活中经常可见。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，此即莫尔条纹。
拿起两把梳子重叠，可能是世界上最简单的莫尔条纹。实际上，如果你留心观察的话，你会看到莫尔条纹在艺术设计、纺织业、建筑学、图像处理、测量学和干涉仪等方面都有一些独特的应用。
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）。
从石墨中单独取一层出来，就是大名鼎鼎的二维材料——石墨烯。研究石墨烯的科学家惊奇地发现，由两层石墨烯堆叠而成的莫尔结构在某个特定的转角下，魔幻般地呈现出超导性：电流在其中流动时完全没有损耗！这种超导性是单层石墨烯所完全不能想象的，莫尔晶格竟然会从根本上改变材料的性质。
一石激起千层浪，人们接着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：扭曲学（twistronics）。
莫尔晶格如何“定住”光？
研究人员利用光学诱导的办法，将两个周期晶格写入到同一块晶体中，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。
让人惊奇的事情在这里：光束能被莫尔晶格局域！
课题组通过严格的理论分析并辅助以大量的数值模拟，发现：除非莫尔转角刚好落在某些离散的特殊角上，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，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。
显然，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。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，广泛存在着。
光子莫尔晶格：由两个方形晶格叠加且旋转一定的角度后形成。当转角是36.8o时，光束很快在晶格中散开（左图，此时系统对应“导电态”）；当转角是36o时，光束始终局域在晶格中某处（右图，此时系统对应“绝缘态”）。
把光“定住”了，有什么用？
莫尔晶格提供了对光控制的一种全新手段。相比于之前将波局域的方式，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”，可谓动静皆宜，快慢自由。
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。
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