En bølgeleder med nulindeks:Forskere observerer direkte uendeligt lange bølgelængder for første gang

I 2015, forskere ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) udviklede det første metamateriale på chip med et brydningsindeks på nul, hvilket betyder, at lysfasen kunne strækkes uendeligt lang. Metamaterialet repræsenterede en ny metode til manipulation af lys og var et vigtigt skridt fremad for integrerede fotoniske kredsløb, som bruger lys frem for elektroner til at udføre en lang række funktioner.

Nu, SEAS -forskere har skubbet den teknologi videre - udviklet en bølgeleder med nulindeks, der er kompatibel med de nuværende siliconiske fotoniske teknologier. Derved, holdet observerede et fysisk fænomen, der normalt ikke kan observeres - en stående lysbølge.

Forskningen er publiceret i ACS Photonics . Harvard Office of Technology Development har indgivet en patentansøgning og undersøger kommercialiseringsmuligheder.

Når en bølgelængde af lys bevæger sig gennem et materiale, dens kamme og trug bliver kondenseret eller strakt, afhængigt af materialets egenskaber. Hvor meget toppen af ​​en lysbølge er kondenseret, udtrykkes som et forhold kaldet brydningsindekset - jo højere er indekset, jo mere presset bølgelængden.

Når brydningsindekset reduceres til nul, opfører lyset sig ikke længere som en bølge i bevægelse, rejser gennem rummet i en række kamme og trug, ellers kendt som faser. I stedet, bølgen er strakt uendelig lang, skabe en konstant fase. Fasen svinger kun som en variabel af tid, ikke plads.

Dette er spændende for integreret fotonik, fordi de fleste optiske enheder bruger interaktioner mellem to eller flere bølger, som skal spredes synkroniseret, når de bevæger sig gennem kredsløbet. Hvis bølgelængden er uendelig lang, matchning af fasen af ​​lysets bølgelængder er ikke et problem, da de optiske felter er de samme overalt.

Men efter det første gennembrud i 2015, forskergruppen løb ind i en fangst-22. Fordi teamet brugte prismer til at teste, om lyset på chippen faktisk var strakt uendeligt, alle enhederne blev bygget i form af et prisme. Men prismer er ikke særlig nyttige former for integrerede kredsløb. Teamet ønskede at udvikle en enhed, der kunne tilsluttes direkte til eksisterende fotoniske kredsløb, og til det, den mest nyttige form er en lige ledning eller bølgeleder.

Forskerne - ledet af Eric Mazur, Balkanski -professoren i fysik - byggede en bølgeleder, men uden hjælp af et prisme, havde ingen let måde at bevise, om det havde et brydningsindeks på nul.

Derefter, postdoktorer Orad Reshef og Philip Camayd-Muñoz havde en idé.

Som regel, en lysbølgelængde er for lille og svinger for hurtigt til at måle alt andet end et gennemsnit. Den eneste måde at faktisk se en bølgelængde er at kombinere to bølger for at skabe interferens.

Forestil dig strygere på en guitar, fastgjort på hver side. Når en snor plukkes, bølgen bevæger sig gennem strengen, rammer stiften på den anden side og bliver reflekteret tilbage - skaber to bølger, der bevæger sig i modsatte retninger med samme frekvens. Denne form for interferens kaldes en stående bølge.

Reshef og Camayd-Muñoz anvendte den samme idé på lyset i bølgelederen. De "fastgjorde" lyset ved at skinne stråler i modsatte retninger gennem enheden for at skabe en stående bølge. De enkelte bølger pendlede stadig hurtigt, men de oscillerede med samme frekvens i modsatte retninger, hvilket betyder, at de på visse punkter annullerede hinanden og andre punkter, de tilføjede sammen, skaber et helt lys eller et helt mørkt mønster. Og, på grund af nulindeksmaterialet, holdet var i stand til at strække bølgelængden stor nok til at se.

Dette kan være første gang, der nogensinde er set en stående bølge med uendeligt lange bølgelængder.

"Vi var i stand til at observere en betagende demonstration af et indeks på nul, sagde Reshef, der for nylig accepterede en stilling ved University of Ottawa. "Ved at sprede sig gennem et medium med et så lavt indeks, disse bølgeegenskaber, som i lyset typisk er for små til at registrere direkte, er udvidet, så du kan se dem med et almindeligt mikroskop. "

"Dette tilføjer et vigtigt værktøj til silicon fotonik værktøjskassen, "sagde Camayd-Muñoz." Der er eksotisk fysik i nulindeksregimet, og nu bringer vi det til integreret fotonik. Det er et vigtigt skridt, fordi det betyder, at vi kan tilslutte direkte til konventionelle optiske enheder, og finde reelle anvendelser til nulindeksfænomener. I fremtiden, kvantecomputere kan være baseret på netværk af ophidsede atomer, der kommunikerer via fotoner. Atomernes interaktionsområde er nogenlunde lig med lysets bølgelængde. Ved at gøre bølgelængden stor, vi kan aktivere langdistanceinteraktioner for at skalere kvanteenheder. "