可以利用意外的光行为来改善光通信和传感器美国国家标准与技术 研究院NIST 团队将光引导到蚀刻有凹槽的超薄氮化硅层中，以创建衍射光栅。如果仔细选择凹槽之间的间隔和光的波长，光的强度会慢得多，呈线性而不是指数下降。图片来源：S. Kelley/NIST将手电筒照射到浑浊的池塘水中，光束不会穿透很远。吸收和散射会迅速降低光束的强度，每行进的单位距离会损失固定百分比的能量。这种下降（称为指数衰减）适用于穿过任何容易吸收和散射电磁能的流体或固体的光。但这不是美国国家标准与技术研究院 (NIST) 的研究人员在研究微型光散射系统时发现的结果——在芯片顶部制造的超薄氮化硅层，蚀刻有一系列紧密间隔的周期性凹槽。凹槽形成了一个光栅——一种以不同角度散射不同颜色光的装置——而氮化硅的作用是沿着光栅的 0.2 厘米长度尽可能地限制和引导入射光。

光栅散射光——大部分是向上的，垂直于设备——就像池塘里的水一样。在他们的大多数实验中，NIST 的科学家们都观察到了这一点。光的强度呈指数级变暗，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以使其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。如果他们仔细选择特定波长的红外光，当它沿着光栅传播时，光的强度下降得慢得多。强度随着行进的距离线性下降，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。每当沿着光栅的光强度从指数衰减变为线性衰减时，向上散射的光就会形成一个宽光束，其强度始终相同。对于许多涉及原子云的实验来说，均匀强度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，当他第一次观察到他在 NIST 进行的模拟中的奇怪行为时，他和 NIST 资深科学家 Vladimir Aksyuk 担心他犯了一个错误。但两周后，Kim 在使用实际衍射光栅的实验室实验中看到了同样的效果。玩00:0002:21沉默的设置画中画进入全屏玩动画描述了 NIST 改变光吸收方式的实验。图片来源：S. Kelley/NIST如果波长稍微偏移或凹槽之间的间距仅改变很小的量，系统就会恢复到指数衰减。NIST 团队花了几年时间开发出一种可以解释这种奇怪现象的理论。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。在某个被称为异常点的关键时刻，所有这些因素共同显着改变了光能的损失，将其从指数衰减变为线性衰减。

研究人员惊讶地发现，他们用红外光观察到的现象是任何类型的波通过有损周期性结构传播的普遍特性，无论这些波是声波、红外光还是无线电波。

这一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，而不会损失太多能量，这可能是光通信的福音。由特殊点雕刻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更长时间地询问快速移动的原子。精确测量原子进行这种转变时发出的光的频率是构建高精度原子钟和创建基于捕获的原子蒸气的精确导航系统的关键步骤。

更一般地说，Aksyuk 说，均匀的光束使得将基于芯片的便携式光子设备与大规模光学实验集成成为可能，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气，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。由于从指数吸收到线性吸收的转变是突然的，并且对所选光的波长非常敏感，因此它可以构成高精度微量污染物检测器的基础。Aksyuk 说，如果表面的污染物改变了光栅中光的波长，异常点将突然消失，光强度将迅速从线性衰减转变为指数衰减。

包括现在在拉伯克的德克萨斯理工大学工作的 Aksyuk 和 Kim 在内的研究人员在 4 月 21 日的Nature Nanotechnology杂志上在线报告了他们的发现。