Tab uden metamateriale kan øge effektiviteten af ​​lasere og andre lysbaserede enheder

Ingeniører ved University of California San Diego har udviklet et materiale, der kan reducere signaltab i fotoniske enheder. Fremskridt har potentiale til at øge effektiviteten af ​​forskellige lysbaserede teknologier, herunder fiberoptiske kommunikationssystemer, lasere og solceller.

Opdagelsen adresserer en af ​​de største udfordringer inden for fotonik:minimering af tab af optiske (lysbaserede) signaler i enheder kendt som plasmoniske metamaterialer.

Plasmoniske metamaterialer er materialer, der er konstrueret på nanoskalaen til at kontrollere lys på usædvanlige måder. De kan bruges til at udvikle eksotiske enheder lige fra usynlighedskappe til kvantecomputere. Men et problem med metamaterialer er, at de typisk indeholder metaller, der absorberer energi fra lys og omdanner det til varme. Som resultat, en del af det optiske signal bliver spildt, sænke effektiviteten.

I en nylig undersøgelse offentliggjort i Naturkommunikation , et team af fotonikforskere ledet af professor i elektroteknik Shaya Fainman ved UC San Diego Jacobs School of Engineering demonstrerede en måde at kompensere for disse tab ved at indarbejde noget i metamaterialet, der udsender lys - en halvleder.

"Vi udligner det tab, metallet indførte med gevinst fra halvlederen. Denne kombination kunne teoretisk resultere i nul -nettoabsorption af signalet - et" tabsfrit "metamateriale, "sagde Joseph Smalley, en elektroteknisk postdoktor i Fainmans gruppe og den første forfatter til undersøgelsen.

I deres eksperimenter, forskerne skinnede lys fra en infrarød laser på metamaterialet. De fandt ud af, at afhængigt af hvilken vej lyset er polariseret - hvilket plan eller retning (op og ned, side til side) alle lysbølger er sat til at vibrere - metamaterialet enten reflekterer eller udsender lys.

"Dette er det første materiale, der opfører sig samtidigt som et metal og en halvleder. Hvis lyset er polariseret på en måde, metamaterialet reflekterer lys som et metal, og når lyset er polariseret den anden vej, metamaterialet absorberer og udsender lys af en anden 'farve' som en halvleder, "Sagde Smalley.

Forskere skabte det nye metamateriale ved først at dyrke en krystal af halvledermaterialet, kaldet indium gallium arsenidphosphid, på et underlag. De brugte derefter højenergionioner fra plasma til at ætske smalle skyttegrave ind i halvlederen, skaber 40 nanometer brede rækker af halvleder med 40 nanometers afstand. Endelig, de fyldte skyttegravene med sølv for at skabe et mønster af skiftevis nanostørrelse striber af halvleder og sølv.

"Dette er en unik måde at fremstille denne form for metamateriale på, "Sagde Smalley. Nanostrukturer med forskellige lag fremstilles ofte ved at deponere hvert lag separat ad gangen, "som en stak papir på et skrivebord, "Smalley forklarede. Men halvledermaterialet, der blev brugt i denne undersøgelse (indium galliumarsenidphosphid), kan ikke bare dyrkes oven på ethvert substrat (som sølv), ellers vil det have fejl. "I stedet for at oprette en stak med skiftende lag, vi fandt ud af en måde at arrangere materialerne side om side, som mapper i et arkivskab, holde halvledermaterialet fejlfrit. "

Som et næste trin, teamet planlægger at undersøge, hvor meget dette metamateriale og andre versioner af det kunne forbedre fotoniske applikationer, der i øjeblikket lider af signaltab.