Fotoniske krystaller afslører deres indre egenskaber med ny metode

En ny teknik udviklet af MIT -forskere afslører de indre detaljer i fotoniske krystaller, syntetiske materialer, hvis eksotiske optiske egenskaber er genstand for omfattende forskning.

Fotoniske krystaller fremstilles generelt ved at bore millioner af tæt mellemrum, små huller i en plade af gennemsigtigt materiale, ved hjælp af variationer af mikrochipfremstillingsmetoder. Afhængigt af den nøjagtige orientering, størrelse, og afstanden mellem disse huller, disse materialer kan udvise en række særlige optiske egenskaber, herunder "superlensing, "som muliggør forstørrelse, der skubber ud over de normale teoretiske grænser, og "negativ brydning, "hvor lys er bøjet i en retning modsat sin vej gennem normale gennemsigtige materialer.

Men for at forstå præcis, hvordan lys i forskellige farver og fra forskellige retninger bevæger sig gennem fotoniske krystaller, kræver ekstremt komplekse beregninger. Forskere bruger ofte meget forenklede tilgange; for eksempel kan de kun beregne lysets adfærd langs en enkelt retning eller for en enkelt farve.

I stedet, den nye teknik gør hele rækken af ​​informationer direkte synlige. Forskere kan bruge en ligetil laboratorieopsætning til at vise oplysningerne-et mønster af såkaldte "isofrekvenskonturer"-i en grafisk form, der blot kan fotograferes og undersøges, i mange tilfælde eliminerer behovet for beregninger. Metoden er beskrevet i denne uge i journalen Videnskab fremskridt , i et papir af MIT postdoc Bo Zhen, nyligt uddannet Wellesley College og MIT-associeret Emma Regan, MIT -professorer i fysik Marin Soljacic og John Joannopoulos, og fire andre.

Opdagelsen af ​​denne nye teknik, Zhen forklarer, opstod ved at se nærmere på et fænomen, som forskerne havde bemærket og endda brugt i årevis, men hvis oprindelse de ikke tidligere havde forstået. Mønstre af spredt lys syntes at vifte ud fra prøver af fotoniske materialer, når prøverne blev belyst af laserlys. Spredningen var overraskende, da den underliggende krystallinske struktur blev fremstillet til at være næsten perfekt i disse materialer.

"Når vi ville prøve at foretage en lasermåling, vi ville altid se dette mønster, "Siger Zhen." Vi så denne form, men vi vidste ikke, hvad der skete. "Men det hjalp dem med at få deres eksperimentelle opsætning ordentligt tilpasset, fordi det spredte lysmønster ville dukke op, så snart laserstrålen var ordentligt stillet op med krystallen. Ved omhyggelig analyse, de indså, at spredningsmønstrene blev genereret af små defekter i krystallen - huller, der ikke var helt runde i formen, eller som var let tilspidsede fra den ene ende til den anden.

"Der er fabrikationsforstyrrelser selv i de bedste prøver, der kan laves, " siger Regan. "Folk tror, ​​at spredningen ville være meget svag, fordi prøven er næsten perfekt, "men det viser sig, at ved visse vinkler og frekvenser, lyset spredes meget stærkt; så meget som 50 procent af det indkommende lys kan spredes. Ved at belyse prøven igen med en række forskellige farver, det er muligt at opbygge en fuld visning af de relative stier lysstråler går, over hele det synlige spektrum. Det spredte lys producerer en direkte visning af iso-frekvenskonturerne - en slags topografisk kort over den måde, lysstråler af forskellige farver bøjer på, når de passerer gennem den fotoniske krystal.

"Dette er en meget smuk, meget direkte måde at observere isofrekvensens konturer på, "Soljacic siger." Du skinner bare lys på prøven, med den rigtige retning og frekvens, "og det, der kommer ud, er et direkte billede af den nødvendige information, han siger.

Fundet kan potentielt være nyttigt til en række forskellige applikationer, siger holdet. For eksempel, det kan føre til en måde at lave store, gennemsigtige skærme, hvor det meste lys ville passere lige igennem som om gennem et vindue, men lys af specifikke frekvenser ville blive spredt for at producere et klart billede på skærmen. Eller, metoden kunne bruges til at lave private displays, der kun ville være synlige for personen direkte foran skærmen.

Fordi den er afhængig af ufuldkommenheder i fremstillingen af ​​krystallen, denne metode kunne også bruges som en kvalitetskontrolforanstaltning til fremstilling af sådanne materialer; billederne giver en indikation af ikke kun den samlede mængde ufuldkommenheder, men også deres specifikke karakter - det vil sige om den dominerende lidelse i prøven kommer fra ikke -cirkulære huller eller ætsninger, der ikke er lige - så processen kan indstilles og forbedres.

Teamet omfattede også forskere ved MIT Research Laboratory of Electronics, herunder Yuichi Igarashi (nu hos NEC Corporation i Japan), Ido Kaminer, Chia Wei Hsu (nu ved Yale University), og Yichen Shen. Arbejdet blev støttet af Army Research Office gennem Institute for Soldier Nanotechnologies ved MIT, og af det amerikanske energiministerium gennem S3TEC, et Energy Frontier Center.