蘇格蘭赫瑞瓦特大學(xué)（Heriot-Watt University）的研究團(tuán)隊(duì)在光子學(xué)領(lǐng)域取得突破，首次證實(shí)利用光本身即可全面控制電磁波的振蕩方式。這項(xiàng)研究不僅解決了長(zhǎng)期困擾該領(lǐng)域的難題——即如何在保持高強(qiáng)度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)超快響應(yīng)，更標(biāo)志著“時(shí)變光子學(xué)”（Time-varying Photonics）這一新興學(xué)科從理論走向現(xiàn)實(shí)，為下一代量子技術(shù)和精密醫(yī)療工具打開了全新的大門。

光子學(xué)作為研究光的科學(xué)，其核心在于對(duì)光的關(guān)鍵屬性——“偏振態(tài)”的掌控。偏振態(tài)在藥物開發(fā)、量子計(jì)算等高科技領(lǐng)域扮演著至關(guān)重要的角色。然而，傳統(tǒng)技術(shù)往往受限于材料本身的靜態(tài)特性，難以實(shí)現(xiàn)既快速又強(qiáng)大的控制效果。此次突破由赫瑞瓦特大學(xué)工程與物理科學(xué)學(xué)院教授馬塞洛·費(fèi)雷拉（Marcello Ferrera）領(lǐng)銜，相關(guān)成果已發(fā)表于全球研究期刊《自然·光子學(xué)》（Nature Photonics）。

全光操控：打破電子器件的速度瓶頸

費(fèi)雷拉教授指出：“光的振蕩方式?jīng)Q定了它如何與周圍物理世界相互作用。以前我們只能被動(dòng)接受材料對(duì)光的反應(yīng)，而現(xiàn)在，我們能在任何偏振狀態(tài)下，以超高速率完全掌控這一屬性。”為了形象地說(shuō)明這一點(diǎn)，他將其比作地震波：有些波壓縮地面，有些則上下震動(dòng)，雖然都是波，但效應(yīng)截然不同。改變光的偏振態(tài)，就能徹底改變其攜帶信息的能力或與材料交互的方式。

為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一項(xiàng)精妙的實(shí)驗(yàn)。他們使用了一種由氧化鋅鋁制成的超薄透明薄膜，這種材料常見(jiàn)于觸摸屏和太陽(yáng)能電池板中。在自然狀態(tài)下，它如同普通玻璃，對(duì)光無(wú)特殊影響。但當(dāng)研究人員向薄膜照射一束持續(xù)時(shí)間不足萬(wàn)億分之一秒的極短光脈沖時(shí)，奇跡發(fā)生了。

這束初始脈沖瞬間改變了材料的物理狀態(tài)，隨后第二束精心同步的光脈沖穿過(guò)該薄膜，其振蕩行為被第一束光“編程”并重塑。關(guān)鍵在于，整個(gè)過(guò)程僅利用光本身，無(wú)需任何電子元件或機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件。這使得控制速度比當(dāng)前Zui先進(jìn)的電子技術(shù)快了10,000倍，且產(chǎn)生的效應(yīng)強(qiáng)度是此前記錄的Zui高水平的100,000倍。

從藥物合成到量子通信的廣泛應(yīng)用

這一突破在多個(gè)高價(jià)值行業(yè)具有深遠(yuǎn)影響。在醫(yī)藥領(lǐng)域，費(fèi)雷拉教授舉例說(shuō)明，在合成特定藥物時(shí)，偏振光可用于區(qū)分鏡像分子（對(duì)映異構(gòu)體），這些分子雖然結(jié)構(gòu)相似，但在人體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)截然不同。的光控能力將極大提升藥物合成的純度和效率。

在量子計(jì)算領(lǐng)域，量子技術(shù)通常利用光的偏振態(tài)來(lái)編碼信息。這種超快、高強(qiáng)度的全光控制能力，直接推動(dòng)了更快、更靈活的量子通信系統(tǒng)的發(fā)展，包括實(shí)現(xiàn)高度安全的數(shù)據(jù)傳輸。正如費(fèi)雷拉教授所言：“過(guò)去幾十年，時(shí)變系統(tǒng)僅停留在理論推測(cè)階段，如今它已成為現(xiàn)實(shí)。”

這項(xiàng)研究由赫瑞瓦特大學(xué)光子學(xué)與量子科學(xué)研究所主導(dǎo)，并與美國(guó)普渡大學(xué)（Purdue University）埃爾莫爾電氣與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院、意大利布雷西亞大學(xué)（University of Brescia）及拉奎拉大學(xué)（University of L'Aquila）等國(guó)際合作伙伴共同完成。實(shí)驗(yàn)在愛(ài)丁堡的赫瑞瓦特大學(xué)進(jìn)行，獲得了英國(guó)工程與物理科學(xué)研究理事會(huì)（EPSRC）、科學(xué)與技術(shù)設(shè)施委員會(huì)（STFC）以及美國(guó)空軍科學(xué)研究辦公室（AFOSR）的資金支持。

中國(guó)光子產(chǎn)業(yè)需加速布局時(shí)變材料研發(fā)

此次突破揭示了“動(dòng)態(tài)材料”在光操控中的巨大潛力，這對(duì)處于全球光子產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵位置的中國(guó)企業(yè)而言是重要的技術(shù)風(fēng)向標(biāo)。當(dāng)前，中國(guó)在量子通信基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面已居列，但在底層光子器件的核心材料創(chuàng)新上仍有提升空間。時(shí)變光子學(xué)所依賴的動(dòng)態(tài)折射率調(diào)控技術(shù)，若能與現(xiàn)有的硅基光電子工藝相結(jié)合，有望在下一代高速光互連芯片和量子密鑰分發(fā)終端中實(shí)現(xiàn)彎道超車。國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)與頭部企業(yè)應(yīng)密切關(guān)注此類全光控制技術(shù)的工程化落地，提前布局相關(guān)新材料研發(fā)，以搶占未來(lái)量子科技與高端醫(yī)療設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)制定權(quán)。