Opfanger lys i et bølgelederarray

Billigere og mere effektive fotoniske enheder, såsom lasere, optiske fibre, og andre lyskilder kan være mulige med indelukket lys, der er upåvirket af ufuldkommenheder i materialet, der begrænser det, ifølge ny forskning. Et hold fysikere fra Penn State, University of Pittsburgh, og University of Illinois har demonstreret i et proof-of-concept-eksperiment, at de kan indeholde lys på en sådan måde, at det gør det meget ufølsomt over for defekter, der kan være til stede i et materiale. Resultaterne af undersøgelsen vises online den 4. juni, 2018 i bladet Naturfotonik .

"Fotonisk teknologi involverer generationen, smitte, og manipulation af lys, og det bruges allestedsnærværende på tværs af industrier, sagde Mikael Rechtsman, Downsbrough Early Career Assistant Professor of Physics ved Penn State og lederen af ​​forskerholdet. "Det ligger til grund for det fiberoptiske netværk, der danner skelettet af internettet, solceller, der bruges til produktion af bæredygtig energi, og højeffektlasere, der bruges i fremstillingen, blandt mange andre applikationer. At finde en måde at begrænse og manipulere lys, så det er ufølsomt over for defekter, kan have en enorm indflydelse på denne teknologi."

For at begrænse lyset, forskerne brugte en kompleks gitterstruktur sammensat af "bølgeledere" præcist udskåret i glas. Disse bølgeledere fungerer som ledninger, men for lys i stedet for elektricitet. I denne struktur, lys kommer ind i den ene ende af bølgelederen og bliver fanget og indespærret, når det forplanter sig frem gennem ledningerne. der, det indfangede lys bliver immunt over for ufuldkommenheder i bølgeledernes positioner, og dermed kan betydelige ufuldkommenheder i strukturen tolereres.

"Lyset bliver ufølsomt på grund af fænomenet 'topologisk beskyttelse', " sagde Rechtsman. "Dette koncept er blevet brugt i vid udstrækning i forbindelse med elektronisk faststoffysik. Bølgelederstrukturen er en fotonisk analog til de såkaldte 'topologiske krystallinske isolatorer, ' og denne form for topologisk beskyttelse kan potentielt bruges på tværs af en række fotoniske enheder, herunder i lasere i nanoskala, specialiserede ikke-lineære optiske fibre, og til robust og præcis kobling mellem fotoner og elektroner til at manipulere kvanteinformation."

At begrænse lys på denne måde kunne gøre mange fotoniske enheder på samme tid billigere at producere og mere effektive. Udover det, dette er et eksempel på den potentielt tværfaglige – der forener fotonik og faststofelektronik – brug af topologisk beskyttelse og demonstrerer den brede anvendelighed af dette fænomen ud over dets opfattelse i elektronisk faststoffysik.

"I fotonik, det er ekstremt vigtigt at kunne fange lys og begrænse det til meget små rum, " sagde Rechtsman. "Det komprimerer den maksimale mængde optisk effekt til det mindste område eller volumen inde i et materiale, få det til at interagere stærkere med materialet, og dermed er den mere effektiv til, hvad den er beregnet til. En stor vanskelighed ved at gøre dette har været, at stærk indespærring medfører ekstrem følsomhed over for eventuelle ufuldkommenheder i materialet, hvilket ofte enten kan hæmme effektiviteten eller gøre enheden meget dyr at fremstille. Vores resultater tyder på, at vi kan overvinde denne vanskelighed."