上海交大叶芳伟课题组发现并揭示莫尔晶格中波的演化规律

　　中国青年报客户端上海12月19日电（中国青年报·中国青年网见习记者 魏其濛）上海交通大学物理与天文学院叶芳伟课题组的研究成果《光子莫尔晶格中光的局域和非局域》（Localization and delocalization of light in photonic moiré lattices）今天发表于国际顶尖期刊《自然》。叶芳伟介绍，课题组于3年前发现莫尔晶格中波的演化规律理论，并用2年时间反复验证，研究成果未来可应用于图像传输、光学操控、信息处理等。

　　叶芳伟课题组供图

　　叶芳伟课题组介绍，声波、水波、电磁波、引力波、物质波都倾向于向周围扩散（图一），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。以光学中光波的局域为例，人们提出了基于光纤的全反射、基于光子晶体的能带带隙、基于随机系统的安德森局域以及基于非线性光学材料的局域等各种机制。叶芳伟课题组与陈险峰课题组合作，率先发现并揭示了一种新的波包局域机制：基于莫尔晶格的极平带结构，该发现具有重要的物理意义和广泛的适用性。

　　叶芳伟课题组供图

　　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转过一定角度，人们会在其上看到明暗相间的条纹。图二是叶芳伟课题组的博士生王鹏利用两把梳子所展示最简单的莫尔条纹。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独特应用。

　　此前，石墨烯的超导性是莫尔结构研究中的一个重要发现，即莫尔晶格会从根本上改变材料的性质。科学家接着研究了其他各种莫尔结构，并发现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）。然而，一个根本的科学问题——波在莫尔晶格中如何演化——却一直悬而未决。

　　叶芳伟课题组供图

　　为此，课题组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（图三）。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（图三，左）和局域（图三，右）的急剧变化。

　　更加重大的发现是，光束能被莫尔晶格局域。课题组通过严格的理论分析和大量的数值模拟，发现在一般情况下（除非莫尔转角刚好落在某些离散的特殊角上），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，无法扩散，只能局域。莫尔晶格中的局域和人们已知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是莫尔晶格的一种广泛存在的共性。

　　已发表的论文截图

　　叶芳伟表示，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。

　　据介绍，论文的第一作者是王鹏博士生和郑远林助理研究员。论文的合作者包括上海交通大学陈险峰教授、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，上海交通大学是论文的唯一通讯单位。