Flatland lys:Forskere skaber omskrivbare optiske komponenter til 2-D lysbølger

I 1884, en skolemester og teolog ved navn Edwin Abbott skrev en novelle kaldet Flatland, som fortæller historien om en verden befolket af sansende todimensionelle former. Mens tænkt som en satire over stive victorianske sociale normer, Flatland har længe fascineret matematikere og fysikere og fungeret som ramme om mange tankeeksperimenter.

Et sådan tankeeksperiment:Hvordan kan lys styres i to dimensioner?

Når en lysbølge er begrænset til et todimensionalt plan af visse materialer, det bliver noget kendt som en polariton - en partikel, der slører skelnen mellem lys og stof. Polaritoner har spændende konsekvenser for fremtiden for optiske kredsløb, fordi i modsætning til elektroniske integrerede kredsløb, integreret optik er vanskelig at miniaturisere med almindeligt anvendte materialer. Polaritoner tillader lyset at være tæt begrænset til nanoskalaen, endda potentielt til tykkelsen af ​​nogle få atomer.

Udfordringen er, alle de måder, vi i øjeblikket har til at kontrollere lyset – linser, bølgeledere, prismer - er tredimensionelle.

"Evnen til at styre og begrænse lys med fuldt omprogrammerbare optiske kredsløb er afgørende for fremtidige højtintegrerede nanofotoniske enheder, " sagde Michele Tamagne, en postdoc-stipendiat i anvendt fysik ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS).

Nu, Tamagnone og et team af forskere ved SEAS har udviklet omskrivbare optiske komponenter til overfladelysbølger. Undersøgelsen blev offentliggjort i Naturkommunikation .

I tidligere undersøgelser, holdet, ledet af Federico Capasso, Robert L. Wallace professor i anvendt fysik og Vinton Hayes seniorforsker i elektroteknik, demonstreret en teknik til at skabe og kontrollere polaritoner ved at fange lys i en flage af sekskantet bornitrid. I dette studie, forskerne satte disse flager på overfladen af ​​et materiale kendt som GeSbTe (GST) - de samme materialer, der bruges på overfladen af ​​genskrivbare cd'er og Blu-ray-diske.

"GST's genskrivbare egenskab ved hjælp af simple laserimpulser giver mulighed for optagelse, sletning og omskrivning af informationsbits. Ved at bruge det princip, vi skabte linser, prismer og bølgeledere ved direkte at skrive dem ind i materialelaget, " sagde Xinghui Yin, en postdoc ved SEAS og medførsteforfatter af undersøgelsen.

Linserne og prismerne på dette materiale er ikke tredimensionelle objekter som i vores verden, men snarere todimensionale former, som de ville være i Flatland. I stedet for at have en semisfærisk linse, polaritonerne på Flatland-esc-materialet passerer gennem en flad halvcirkel af brydende materiale, der fungerer som en linse. I stedet for at rejse gennem et prisme, de rejser gennem en trekant og i stedet for optiske fibre, polaritonerne bevæger sig gennem en simpel linje, som leder bølgerne ad en foruddefineret sti.

Ved at bruge en teknik kendt som nærfeltsmikroskopi, som tillader billeddannelse af funktioner, der er meget mindre end lysets bølgelængde, forskerne var i stand til at se disse komponenter i arbejde. De demonstrerede også for første gang, at det er muligt at slette og omskrive de optiske komponenter, de har skabt.

"Denne forskning kan føre til nye chips til applikationer såsom enkeltmolekyle kemisk sensing, da polaritonerne i vores genskrivbare enheder svarer til frekvenser i det område af spektret, hvor molekyler har deres afslørende absorptionsfingeraftryk, " sagde Capasso.