由美国国家标准与技术研究所
NIST团队将光线导入一层蚀刻有凹槽的超薄氮化硅层，以制造衍射光栅
如果仔细选择凹槽之间的间隔和光的波长，光的强度下降得更慢，线性地而不是指数地下降
信用:S
凯利/NIST律师事务所 用手电筒照向浑浊的池水，光线不会穿透很远
吸收和散射会迅速减弱光束的强度，每单位传播距离会损失固定百分比的能量
这种衰减被称为指数衰减，适用于光线穿过任何容易吸收和散射电磁能量的液体或固体
但NIST国家标准与技术研究所的研究人员在研究一种微型光散射系统时并没有发现这一点——这是一种超薄的氮化硅层，制作在芯片上，并蚀刻有一系列密集的周期性凹槽
这些凹槽创造了光栅——一种以不同角度散射不同颜色光的装置——而氮化硅的作用是限制和引导入射光尽可能沿着0
2厘米长的光栅
光栅散射光线——大部分光线向上，垂直于设备——就像池塘里的水一样
在他们的大部分实验中，NIST的科学家们观察到的正是这一点
光线的强度呈指数级减弱，只能照亮光栅的前几个凹槽
然而，当NIST团队调整凹槽的宽度，使它们几乎等于它们之间的间距时，科学家们发现了一些令人惊讶的事情
如果他们仔细选择红外光的特定波长，那么当红外光沿着光栅传播时，其强度下降得更慢
强度随距离线性下降，而不是指数下降
科学家们同样对从光栅向上散射的红外光的特性感兴趣
每当光栅上的光强度从指数下降变为线性下降时，向上散射的光就会形成一个强度完全相同的宽光束
对于许多涉及原子云的实验来说，强度均匀的宽光束是非常理想的工具
电气和计算机工程师Sangsik Kim从未见过这样的事情
2017年春天，当他第一次在NIST大学进行的模拟实验中观察到这种奇怪的行为时，他和资深NIST科学家弗拉基米尔·阿克肖克担心他犯了一个错误
但是两周后，金在实验室实验中用实际的衍射光栅看到了同样的效果
动画描绘了NIST改变光吸收方式的实验
信用:S
凯利/NIST律师事务所 如果波长稍微移动，或者凹槽之间的间距只改变很小的量，系统就会回复到指数衰减
NIST团队花了几年时间发展出一种理论来解释这种奇怪的现象
研究人员发现，它的根源在于光栅结构、向前传播的光、光栅凹槽向后散射的光以及向上散射的光之间的复杂相互作用
在某个临界点，也就是所谓的例外点，所有这些因素一起戏剧性地改变了光能的损失，从指数衰减变成线性衰减
研究人员惊讶地意识到，他们用红外光观察到的现象是穿过有损耗周期结构的任何类型的波的普遍属性，无论这些波是声波、红外光还是无线电波
这项发现可能使研究人员能够将光束从一个基于芯片的设备传输到另一个设备，而不会损失太多的能量，这对光通信来说可能是一个福音
由例外点形成的宽而均匀的光束也是研究原子云的理想选择
光诱导原子从一个能级跳到另一个能级；它的宽度和均匀的强度使光束能够长时间询问快速移动的原子
精确测量原子进行这种跃迁时发出的光的频率，是建造高度精确的原子钟和基于捕获的原子蒸汽创建精确导航系统的关键一步
阿克肖克说，更普遍的是，均匀的光束使得将便携式、基于芯片的光子设备与大规模光学实验相结合成为可能，从而减小了它们的尺寸和复杂性
例如，一旦均匀的光束探测到原子蒸汽，信息就可以被发送回光子芯片并在那里进行处理
另一个潜在的应用是环境监测
因为从指数吸收到线性吸收的转变是突然的，并且对所选择的光的波长非常敏感，所以它可以构成痕量污染物的高精度检测器的基础
阿克肖克说，如果表面的污染物改变了光栅中光的波长，例外点将突然消失，光强将迅速从线性衰减转变为指数衰减
包括阿克肖克和金在内的研究人员在4月21日出版的《自然纳米技术》杂志上在线报告了他们的发现
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