Forskere designer en lysfangst, farvekonverterende krystal

Fem år siden, Stanford-postdoktor Momchil Minkov stødte på et puslespil, som han var utålmodig efter at løse. I hjertet af hans felt af ikke-lineær optik er enheder, der ændrer lys fra en farve til en anden - en proces, der er vigtig for mange teknologier inden for telekommunikation, computer- og laserbaseret udstyr og videnskab. Men Minkov ville have en enhed, der også fanger begge lysfarver, en kompleks bedrift, der i høj grad kunne forbedre effektiviteten af ​​denne lysskiftende proces - og han ønskede, at den skulle være mikroskopisk.

"Jeg blev først udsat for dette problem af Dario Gerace fra University of Pavia i Italien, mens jeg var i gang med min ph.d. i Schweiz. Jeg prøvede at arbejde på det dengang, men det er meget svært, " sagde Minkov. "Det har ligget i baghovedet lige siden. Lejlighedsvis, Jeg ville nævne det for nogen i mit felt, og de ville sige, at det var næsten umuligt."

For at bevise, at det næsten umulige stadig var muligt, Minkov og Shanhui Fan, professor i elektroteknik ved Stanford, udviklet retningslinjer for at skabe en krystalstruktur med en utraditionel todelt form. Detaljerne om deres løsning blev offentliggjort 6. august i Optica , med Gerace som medforfatter. Nu, holdet begynder at bygge sin teoretiserede struktur til eksperimentel testning.

En opskrift på at begrænse lyset

Enhver, der er stødt på en grøn laserpointer, har set ikke-lineær optik i aktion. Inde i den laserpointer, en krystalstruktur konverterer laserlys fra infrarødt til grønt. (Grønt laserlys er nemmere for folk at se, men komponenter til at lave grønne lasere er mindre almindelige.) Denne forskning sigter mod at gennemføre en lignende bølgelængde-halveringskonvertering, men i et meget mindre rum, hvilket kan føre til en stor forbedring af energieffektiviteten på grund af komplekse vekselvirkninger mellem lysstrålerne.

Holdets mål var at fremtvinge sameksistensen af ​​de to laserstråler ved hjælp af et fotonisk krystalhulrum, som kan fokusere lys i et mikroskopisk volumen. Imidlertid, eksisterende fotoniske krystalhulrum begrænser normalt kun én bølgelængde af lys, og deres strukturer er meget tilpassede til at rumme den ene bølgelængde.

Så i stedet for at lave én ensartet struktur til at klare det hele, disse forskere udtænkte en struktur, der kombinerer to forskellige måder at begrænse lys på, en til at holde på det infrarøde lys og en anden til at holde på det grønne, alt sammen stadig indeholdt i en lille krystal.

"At have forskellige metoder til at indeholde hvert lys viste sig at være nemmere end at bruge én mekanisme til begge frekvenser og, i en eller anden forstand, det er helt anderledes end hvad folk troede de skulle gøre for at opnå denne bedrift, " sagde Fan.

Efter at have strøget detaljerne i deres todelte struktur, forskerne lavede en liste over fire forhold, som skal vejlede kolleger i at bygge et fotonisk krystalhulrum, der er i stand til at rumme to meget forskellige bølgelængder af lys. Deres resultat lyder mere som en opskrift end en skematisk, fordi lysmanipulerende strukturer er nyttige til så mange opgaver og teknologier, at design til dem skal være fleksible.

"Vi har en generel opskrift, der siger, 'Fortæl mig, hvad dit materiale er, og jeg vil fortælle dig de regler, du skal følge for at få et fotonisk krystalhulrum, der er ret lille og begrænser lys ved begge frekvenser, " sagde Minkov.

Computere og nysgerrighed

Hvis telekommunikationskanaler var en motorvej, at vende mellem forskellige bølgelængder af lys ville svare til et hurtigt vognbaneskift for at undgå en opbremsning - og en struktur, der holder flere kanaler, betyder et hurtigere skift. Ikke-lineær optik er også vigtig for kvantecomputere, fordi beregninger i disse computere er afhængige af skabelsen af ​​sammenfiltrede partikler, som kan dannes gennem den modsatte proces, der finder sted i Fan lab-krystallen - der skaber tvillingerøde lyspartikler fra en grøn lyspartikel.

At forestille sig mulige anvendelser af deres arbejde hjælper disse forskere med at vælge, hvad de vil studere. Men de motiveres også af deres ønske om en god udfordring og den indviklede mærkelighed i deres videnskab.

"I bund og grund, vi arbejder med en pladestruktur med huller og ved at arrangere disse huller, vi kan kontrollere og holde lyset, " sagde Fan. "Vi flytter og ændrer størrelsen på disse små huller med milliardtedele af en meter, og det markerer forskellen mellem succes og fiasko. Det er meget mærkeligt og uendeligt fascinerende."

Disse forskere vil snart stå over for disse forviklinger i laboratoriet, da de begynder at bygge deres fotoniske krystalhulrum til eksperimentel afprøvning.