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圖一：無(wú)處不在的散開現(xiàn)象：跟煙霧會(huì)自然地散開一樣（a），聲音（b）、水波（c）、激光光束（d）都會(huì)散開。散開是各類波的普遍特性，因此，如何將波局域住是一個(gè)很重要的科學(xué)問題。

莫爾晶格在生活中經(jīng)常可見。將兩個(gè)周期結(jié)構(gòu)重疊在一起、并且彼此之間轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度，人們會(huì)在其上看到明暗相間的條紋，此即莫爾條紋。圖二是葉芳偉課題組的博士生王鵬利用兩把梳子展示的莫爾條紋，這可能是世界上最簡(jiǎn)單的莫爾條紋。實(shí)際上，如果你留心觀察的話，你會(huì)看到莫爾條紋在藝術(shù)設(shè)計(jì)、紡織業(yè)、建筑學(xué)、圖像處理、測(cè)量學(xué)和干涉儀等方面都有一些獨(dú)特的應(yīng)用。

圖二：拿起兩把梳子（左圖），將其重疊并相互轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)小角度，便能看到明暗相間的條紋——莫爾條紋（右圖）。

人們常說(shuō)：“一加一大于二”，莫爾條紋很好地證實(shí)了這句話。從石墨中單獨(dú)取一層出來(lái)，就是大名鼎鼎的二維材料——石墨烯。研究石墨烯的科學(xué)家驚奇地發(fā)現(xiàn)，由兩層石墨烯堆疊而成的莫爾結(jié)構(gòu)在某個(gè)特定的轉(zhuǎn)角下，魔幻般地呈現(xiàn)出超導(dǎo)性：電流在其中流動(dòng)時(shí)完全沒有損耗！這種超導(dǎo)性是單層石墨烯所完全不能想象的，莫爾晶格竟然會(huì)從根本上改變材料的性質(zhì)[見Nature 556, 43 (2018) ]！一石激起千層浪，人們接著研究了其他各種各樣的莫爾結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了莫爾晶格更多新奇獨(dú)特的物理性質(zhì)，并形成了一個(gè)專門的研究方向：twistronics（扭曲學(xué)）。

然而，一個(gè)根本的科學(xué)問題——波在莫爾晶格中如何演化——卻一直懸而未決。

為此，研究人員利用光學(xué)誘導(dǎo)的辦法，將兩個(gè)周期晶格寫入到同一塊晶體中，得到了首個(gè)高度可調(diào)的光子莫爾晶格（圖三）。借助于該莫爾晶格的連續(xù)可調(diào)性，并通過(guò)大量的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)證實(shí)，課題組發(fā)現(xiàn)了波包在莫爾晶格中的演化規(guī)律：隨著兩個(gè)周期晶格的相對(duì)權(quán)重和它們之間相對(duì)轉(zhuǎn)角的變化，波包在莫爾晶格中演化時(shí)，出現(xiàn)了波形散開（圖三，左）和局域（圖三，右）的急劇變化！

讓人驚奇的事情在這里：光束能被莫爾晶格局域！為什么？通過(guò)嚴(yán)格的理論分析并輔助以大量的數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)在一般情況下（除非莫爾轉(zhuǎn)角剛好落在某些離散的特殊角上），莫爾晶格對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)能帶結(jié)構(gòu)中各級(jí)能帶都是極平帶（extremely flat bands），因此光子在莫爾晶格里失去了動(dòng)能，自然無(wú)法擴(kuò)散，只能局域！顯然，莫爾晶格中的局域和人們已知的其他環(huán)境下的局域在機(jī)制上完全不同，它代表了一種全新的局域方式。課題組還研究了其他形形色色的莫爾晶格，通過(guò)大量的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)了光子在莫爾晶格中的局域以及特殊莫爾角下的散開其實(shí)是莫爾晶格的一種共性，廣泛存在著。

圖三：光子莫爾晶格：由兩個(gè)方形晶格疊加且旋轉(zhuǎn)一定的角度后形成。當(dāng)轉(zhuǎn)角是36.8o時(shí)，光束很快在晶格中散開（左圖，此時(shí)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)“導(dǎo)電態(tài)”）；當(dāng)轉(zhuǎn)角是36o時(shí)，光束始終局域在晶格中某處（右圖，此時(shí)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)“絕緣態(tài)”）。

莫爾晶格提供了對(duì)光控制的一種全新手段。相比于之前將波局域的方式，莫爾晶格提供的局域方式更加簡(jiǎn)單易行——它既不需要較強(qiáng)的折射率反差，也不需要特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，更不依賴于較強(qiáng)的激光功率，但同時(shí)它又具有高度的可調(diào)性——通過(guò)簡(jiǎn)單的莫爾轉(zhuǎn)角的調(diào)節(jié)，光子可以自由地從“靜止”轉(zhuǎn)為“運(yùn)動(dòng)”，也可將其從“緩慢”的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為高速的“運(yùn)動(dòng)”，可謂動(dòng)靜皆宜，快慢自由。因此，莫爾晶格為未來(lái)的光束控制、圖像傳輸、信息處理提供了一種更加簡(jiǎn)單易行的手段，也為研究低功率下的非線性光學(xué)提供了一個(gè)易于執(zhí)行的平臺(tái)。此外，光子莫爾晶格的研究也為二維材料和冷原子系統(tǒng)中莫爾晶格的研究提供了極其有益的借鑒。

12月18日，該研究成果以“Localization and delocalization of light in photonic moiré lattices”為題在線發(fā)表于國(guó)際頂尖期刊《自然》。論文的第一作者是王鵬博士生和鄭遠(yuǎn)林助理研究員。論文的合作者包括上海交通大學(xué)陳險(xiǎn)峰教授、山西長(zhǎng)治學(xué)院黃長(zhǎng)明博士、 Dr Yaroslav Kartashov（俄羅斯）, Prof Lluis Torner（西班牙）和 Prof Vladimir Konotop（葡萄牙）。葉芳偉教授是論文的通訊作者，上海交通大學(xué)是論文的唯一通訊單位。

葉芳偉課題組長(zhǎng)期研究微納尺度上光和物質(zhì)相互作用的新物理，探索光控的新途徑。課題組感謝陳險(xiǎn)峰教授課題組在實(shí)驗(yàn)上的合作，感謝國(guó)家和上海市自然科學(xué)基金委對(duì)課題組項(xiàng)目的資助，并感謝上海交通大學(xué)網(wǎng)絡(luò)信息中心為本研究工作涉及的大量數(shù)值計(jì)算提供的云計(jì)算支持。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1851-6

“科研成果的取得得益于物理與天文學(xué)院面向國(guó)家科技重大戰(zhàn)略需求，聚焦基礎(chǔ)前沿領(lǐng)域研究，強(qiáng)化科技創(chuàng)新體系建設(shè)的重要舉措”，上海交大物理與天文學(xué)院黨委書記朱卡的教授在肯定葉芳偉團(tuán)隊(duì)科研成果的同時(shí)，表示通過(guò)“引育并舉，雙向引導(dǎo)”的培養(yǎng)方針，學(xué)院逐漸組建了一支高水平、高質(zhì)量的青年教師隊(duì)伍，科研創(chuàng)新能力不斷增強(qiáng)，歡迎海內(nèi)外更多的優(yōu)秀人才加盟上海交大，共同建設(shè)國(guó)際一流、國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的物理與天文學(xué)院。