把光從一個地方引導到另一個地方是支撐我們現代資訊世界的支柱。光纜穿越深邃的海洋和廣闊的大陸，在細如髮絲的光纖中傳輸包含從YouTube 影片剪輯到銀行傳輸等各種數據的光線。然而，芝加哥大學的Jiwoong Park 教授想知道，如果把光纖做得更細、更扁–實際上細到實際上是二維而不是三維–這會發生什麼情況。光會發生什麼變化？

芝加哥大學的科學家發現，一種只有幾個原子厚的玻璃晶體可以捕捉和攜帶光–而且可以用於各種應用。研究報告合著者Hanyu Hong 手持的塑膠中央的細線就是這種材質。圖片來源：Jean Lachat

透過一系列創新實驗，他和他的團隊發現，只有幾個原子厚度的玻璃晶體薄片可以捕捉並攜帶光線。不僅如此，它的效率還出奇地高，可以傳播相對較遠的距離–一厘米，這在基於光的計算領域是非常遠的。

Jiwoong Park 教授（左）和科學家Hanyu Hong（右）在雷射實驗室，他們在那裡確認這種材料可以攜帶光–儘管它比光本身還要小。圖片來源：Jean Lachat

這項研究最近發表在《科學》（Science）雜誌上，展示了本質上的二維光子電路，並可能為新技術開闢道路。

這項研究的主要作者、詹姆斯-弗蘭克研究所（James Franck Institute）和普利茲克分子工程學院（Pritzker School of Molecular Engineering）化學系教授兼系主任朴智雄（Jiwoong Park）說：「我們完全驚訝於這種超薄晶體的強大功能；它不僅能保持能量，還能將能量傳遞到比任何人在類似系統中看到的要遠一千倍的地方。被困住的光也表現得像在二維空間中行進一樣”。

引導光線

新發明的系統是一種引導光的方法，稱為波導，本質上是二維的。在測試中，研究人員發現，他們可以使用極其微小的棱鏡、透鏡和開關來引導光沿著晶片的路徑–所有這些都是電路和計算的要素。

光子電路已經存在，但它們要大得多，而且是三維的。最關鍵的是，在現有的波導中，光粒子–即所謂的光子–總是在波導內封閉地傳播。

科學家解釋說，在這種系統中，玻璃晶體實際上比光子本身還要薄，因此光子的一部分實際上在傳播過程中伸出了晶體。

Jiwoong Park 教授（左）和科學家Hanyu Hong（右）在芝加哥大學Park 的實驗室裡檢查這種材料。在測試中，他們可以使用微小的棱鏡、透鏡和開關來引導光線沿著晶片的路徑–所有這些都是電路和計算的要素。圖片來源：讓-拉查特

這就有點像在機場裡建造一個傳送行李箱的管道與把行李箱放在傳送帶上的差別。在傳送帶上，行李箱是露天的，你可以輕鬆地在途中看到並調整它們。這種方法使得利用玻璃晶體製造複雜設備變得更加容易，因為光線可以透過透鏡或棱鏡輕鬆移動。

光子還可以體驗沿途的狀況資訊。想想看，檢查從室外進來的行李箱，看看外面是否下雪了。同樣，科學家可以想像用這些波導來製造微觀層面的感測器。

Park 解釋說：”比如說，你有一個液體樣本，你想感知是否存在某種特定的分子。你可以這樣設計，使波導穿過樣品，而該分子的存在將改變光的表現。”

科學家也對建構非常薄的光子電路感興趣，可以堆疊在一起，在相同的晶片面積上整合更多的微小裝置。他們在這些實驗中使用的玻璃晶體是二硫化鉬，但其原理也適用於其他材料。

科學家說，雖然理論科學家已經預測到這種行為應該存在，但在實驗室中真正實現這種行為卻是一個長達數年的過程。

“這是一個極具挑戰性但又令人滿意的問題，因為我們進入了一個全新的領域。因此，我們所需要的一切都必須自己設計–從材料的生長到測量光是如何移動的， “論文的共同第一作者、研究生Hanyu Hong 說。