与电子不同，光粒子不带电，因此它们不会对磁场做出反应。尽管如此，研究人员现在已经通过实验使光在一种称为光子晶体的复杂结构中有效地“感受到”磁场，该结构由硅和玻璃制成。

在晶体内，光绕圈旋转，研究人员首次观察到它形成了称为朗道能级的离散能带，这与电子中常见的一种众所周知的现象相似。

这一发现可能指出增加光与物质相互作用的新方法，这一进步有可能改进光子技术，例如非常小的激光器。

这项工作由宾夕法尼亚州立大学的研究人员领导，基于团队成员宾夕法尼亚州立大学物理学教授MikaelRechtsman、宾夕法尼亚州立大学研究生JonathanGuglielmon和哥伦比亚大学数学家MichaelWeinstein的早期理论预测。

4月23日，《自然光子学》杂志上发表了一篇描述实验的论文，同时发表了另一篇由EwoldVerhagen领导的荷兰研究小组发表的论文，他们独立观察到了同样的现象。

“对于像电子这样的带电粒子，它们与磁场的相互作用会产生许多有趣的物理现象，”研究小组负责人雷茨曼说。“正因为如此，人们对模拟光子的物理现象产生了兴趣，光子不带电，因此不会对磁场做出反应。”

当限制在二维表面的电子暴露于强磁场时，它们沿圆形或“回旋加速器”轨道移动。这些轨道的运动变得量子化——电子被限制在某些离散能量上，这些能量被称为朗道能级。

“朗道能级有点类似于原子核周围电子轨道的能级，”雷茨曼说。“在原子中，能级是由带负电的电子对带正电的原子核的吸引力产生的，而朗道能级是由电子与磁场的相互作用产生的。我们采用了一种模拟磁场的方法——称为赝磁场——通过精确操纵光子晶体的结构来产生光。”

研究小组在宾夕法尼亚州立大学材料研究所的纳米加工实验室中，在微小的硅片中制造了这些晶体，类似于制造计算机芯片所用的硅片。他们在硅板内创建了蜂窝状的孔格，其厚度仅为人类头发的1/1000。

研究人员将激光照射到含有晶体的平板上，晶格图案导致一些光在晶体内反射。然后，研究小组可以测量光线离开晶体时的光谱。为了模拟磁场的影响，研究人员在晶格图案中添加了“应变”。

“对于无应变晶格，我们用纳米级三角形孔制造了蜂窝结构，该结构以二维图案在整个空间中重复，”Rechtsman解释道。“为了增加压力，我们制作了另一块板，但使图案变形。新图案看起来好像我们在两侧上拉，而在底部拉下。”

当研究人员将激光照射到无应变的晶格中时，光线在晶体中均匀地扩散。在应变晶格中，光以圆周方式移动，光的能谱发生变化，形成离散的带，就像朗道能级一样。与电子中的朗道能级不同，能带不是平坦的。相反，它们是弯曲的，研究人员表示这是由应变晶体中的弯曲图案造成的。

“能带的弯曲性质被称为色散，”雷茨曼说。“为了试图减轻色散，我们在图案中添加了一个额外的应变。这种附加的应变充当赝电势，抵消了色散，为我们提供了平带朗道能级，就像来自电子的平带朗道能级一样。”

平带代表某些离散能量的光子集中，提供了增加光与物质相互作用的途径。

“在很多应用中，增加光和物质的相互作用可以改善它们的功能，”雷茨曼说。“当你有平带时，这意味着光在一个地方停留的时间更长，这意味着无论你想用光做什么，你都可以更有效地完成。现在，我们正在研究我们是否可以将这种设计用于光子芯片上更高效的激光器。”