超均匀无序光子网络中的谱能级排斥与类Lifshitz态

在一种精心塑形的无序中传播的光

我们通常认为无序会散射并损耗光，例如雾或磨砂玻璃。然而，这项研究表明，在微小光学结构中一种受控的特殊无序实际上可以作为一种工具来捕获、引导和连接光。通过设计介于完美有序与完全随机之间的模式，作者揭示了管理光传播的新方法，可能对激光器、传感器和未来的量子技术产生影响。

以“随机”材料的一种新排列方式

团队研究了刻蚀有一种称为超均匀无序网络的图案的薄半导体薄片。乍看之下该图案像是随机的，但在较大尺度上它经过微妙调控，使得密度涨落被强烈抑制。这种细微设计产生了光子带隙——一段不能通过结构传播的光谱范围，即便不存在常规晶格。根据光的颜色，结构要么支持在其上延展的波，要么支持将光束缚在局部的受限点。

当光波拒绝共享相同颜色时

作者探讨的一个问题是如何区分扩展波和真正受限的模态。在复杂系统中，扩展波在频率上往往会“排斥”彼此：两个在空间上重叠的模态会避免具有相同的颜色，这种行为称为能级排斥。通过详细的计算机模拟和用纳米尺度精度映射光场的近场光学显微镜，研究者测量了谐振间的相近程度及其谱相关性。他们发现扩展模态显示出能级排斥的明显指纹，类似于混沌量子系统中的现象，而局域化模态则表现为孤立且不相关的峰值。

诱捕光的两种不同方式

研究接着表明，并非所有局域化光都是以相同方式产生的。有些被困模态源自结构中的多次散射，即与电子材料中已知的安德森局域化的光学类似物。另一些则出现在带隙的边缘，仅紧密局限在网络的少数单元内。通过在模拟中逐步调节结构无序的程度并追踪模态尺寸的变化，作者区分了这两类模态。他们将最强烈受限的带边态关联到网络中特定的四边形单元，使得这些态的位置变得可预测，而非随机偶然。

来自成对缺陷的“光分子”

由于这些基于缺陷的特殊态可以彼此靠近存在，团队研究了当两个此类位点在空间和频率上邻近时会发生什么。发射光的高分辨率图揭示出成对的亮点共享它们的能量，形成两个在波长上略有分离的谐振峰。数值模拟证实，这些行为类似于“光子分子”，具有成键和反成键的分布，在对之间场可以呈同相或异相组合。这在本质上类似于两个原子形成简单分子的方式，但这里的构件是由无序结构塑造的局域光态。

这对未来光子器件为何重要

通过将受控无序与可预测的缺陷相结合，工作勾画出一种新范式，在同一材料平台上共存扩展波、局域陷阱和耦合光态。对非专业读者而言，关键信息是：无序未必是光学设计的敌人；如果精心安排，它反而成为一种强有力的工具。这些发现为制造紧凑型随机激光、鲁棒光学滤波器及用于芯片上的量子或类神经形态光子学元件提供了新途径，所有这些都基于将“随机性”工程化以按需放置并连接微小的被困光口袋。

引用: Granchi, N., Calusi, G., Stokkereit, K. et al. Spectral level repulsion and Lifshitz-like states in hyperuniform disordered photonic networks. Light Sci Appl 15, 245 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02335-0

关键词: 无序光子学, 光的局域化, 超均匀网络, 光子带隙, 随机激光