Forskere skaber bedre lysfangende enheder

Enhver, der nogensinde har spillet trommer, stemte en guitar, eller endda fået et vinglas til at "synge" ved at cirkulere en finger langs dets kant, der kender til resonans. Akustiske resonatorer, som hulrummet i en tromle eller et halvfuldt vinglas, vibrerer naturligt ved bestemte frekvenser af lydbølger for at producere bestemte toner. Fænomenet resonans kan også anvendes på lysbølger, med optiske resonatorer som nøglekomponenter i enheder såsom lasere og sensorer.

En undersøgelse offentliggjort i Natur beskriver et nyt design til optiske resonatorer, der er mere effektive til at fange lys, et vigtigt grundlæggende skridt i retning af at gøre mere effektive optiske enheder. Arbejdet blev udført af Bo Zhen og Ph.D. studerende Jicheng Jin fra Penn og forskere ved Peking University og MIT.

Noget af det, der gør lys så svært at fange i en resonator, er, at lys er lavet af højfrekvente bølger, hvilket betyder, at deres bølgelængder er ekstremt små - millioner af gange mindre end de akustiske bølger, folk hører hver dag. For at fange disse små bølger i lang tid, optiske resonatorer skal ikke kun være utroligt små, men også ekstremt præcise. "Problemet er, at fremstillingen ikke er perfekt, " forklarer Zhen. "Naturligvis, fremstillingsprocessen vil introducere ruhed på overfladen og fluktuationer til det originale design, så den faktiske enhed i praksis er altid ujævn."

Den "ujævne" og uperfekte natur af optiske resonatorer er det, der i øjeblikket begrænser en enheds kvalitetsfaktor, eller den tid, som resonatoren kan fange lys, før bølgerne forsvinder. I betragtning af begrænsningerne i konstruktion af sådanne enheder, forskerne søgte at lave en optisk resonator, der var mindre tilbøjelig til iboende ufuldkommenheder.

Dette arbejde var baseret på Zhens tidligere forskning i teorien om topologiske ladninger, også omtalt som bundne tilstande i kontinuummet. Topologiske ladninger dannes ved interferens, et almindeligt bølgefænomen, der kan ses, når bølger slår ind i hinanden og enten lægger sig sammen for at lave større bølger eller udligner hinanden. Topologiske ladninger opstår, når strålingsbølgerne, der kommer ud fra enheden, ophæver hinanden, gør det muligt for enheden at indeholde lysets energi i længere tid.

Med indsigt fra Zhens teori, forskerne designet, simuleret, og fremstillede optiske resonatoranordninger kaldet fotoniske krystalplader, som er mønstret med huller i nanometerstørrelse, der er jævnt fordelt fra hinanden. Deres enhed var stadig "uperfekt, " med ujævne overflader synlige under et scanningselektronmikroskop, men designets unikke topologiske egenskab forbedrede kvalitetsfaktoren markant, eller evnen til at fange lys i en meget længere periode end ellers muligt.

En unik egenskab ved enheden er, at den kunne generere ni unikke topologiske ladninger. Hver separat ladning smelter derefter sammen til en, forårsager en endnu stærkere annullering af strålingsbølgerne, fanger lys inde i enheden i længere perioder.

Sammenlægningen af ​​anklagerne var et fænomen, der var blevet forudsagt i tidligere arbejde, forklarer Zhen, men gruppens seneste papir gav en stærk teoretisk forståelse af dens effekt på kvalitetsfaktorer. "Det faktum, at de har ni sigtelser, der smelter sammen på samme tidspunkt, er en meget unik egenskab. I starten er det ret vildledende; man kan fortolke det på forskellige måder, og vi blev kørt på sidespor i nogle andre retninger. Til sidst, gennem en masse tænkning, alt lykkedes."

Deres innovative platform, med en kvalitetsfaktor 10 gange større end andre enheder, der ikke bruger fusionerende topologiske ladninger, kan føre til forbedringer i adskillige optikbaserede applikationer. Desuden, forskerne har allerede demonstreret anvendeligheden af ​​deres tilgang på en umiddelbar applikation i den virkelige verden, da undersøgelsen så på bølgelængder af lys, der allerede bliver brugt til telekommunikation.

Takket være deres komplementære ekspertiseområder, fra fabrikation af enheder ved Peking University og teoretisk fysik på Penn, forskerne var i stand til at udvikle en enkel, fysikbaseret løsning på en tidligere uløst teknisk udfordring.

"Det forbedrer kvaliteten uden at optimere fremstillingen, " siger Jin, som for nylig fik sin mastergrad fra Peking Universitet og nu er kandidatstuderende i Zhens laboratorium. "Du behøver ikke at lave krævende arbejde for at forbedre fremstillingsmetoderne, du skal bare vælge et smart design. Der er ingen komplicerede tricks, men du kan se en virkelig stor forbedring."