Fleksibel fotonisk krystal fra flydende tynd-film metasurface

Fotoniske krystaller forventes at være et af det 21. århundredes vidundere. I det 20. århundrede, ny forståelse af den elektroniske båndstruktur - den fysik, der bestemmer, hvornår et fast stof leder eller isolerer - revolutionerede verden. Den samme fysik, når det påføres fotoniske krystaller, giver os mulighed for at kontrollere lys på samme måde som, hvordan vi styrer elektroner. Hvis fotoniske krystaller lever op til deres løfte, helt optiske transistorer, der bruger lidt strøm og muliggør endnu mere kraftfulde computere, kunne blive en realitet.

Men, den destination er ikke i sigte endnu. Problemet er kontrol. Vi har udsøgt kontrol over fremstillingen af ​​elektroniske integrerede kredsløb, og halvledere og elektroner er meget fleksible - hvis du vil ændre en elektrons energi, bare påfør en spænding.

Det er vanskeligere at kontrollere fremstillingen af ​​fotoniske krystaller. Hver lille struktur skal fremstilles og præcist replikeres og placeres. Når først det er lavet, en fotonisk krystal er uforanderlig, hvilket gør det meget ufleksibelt. Ligeledes, fotonenergier kan ikke ændres så effektivt som elektronenergier. Resultatet er, hvis fotoniske krystaller er fremtiden for computere, vi bliver nødt til at lære, hvordan man laver dem på en måde, der gør det muligt at ændre dem med det samme.

Ripplede væskefilm som metaoverflader

I en ny Avanceret fotonik papir, Shimon Rubin og Yeshaiahu Fainman fra University of California San Diego har vist, hvordan det kan være muligt at skabe en fleksibel, men holdbar fotonisk krystal fra en væske. De udførte en række beregninger for at forudsige dannelsen og ydeevnen af ​​en fotonisk krystal baseret på meget lokaliseret opvarmning i flydende tynde film.

Væsker betragtes generelt ikke som et godt valg til en fotonisk krystal, fordi væsker ikke har en fast struktur. De optiske egenskaber af en fotonisk krystal afhænger af, at lys er i stand til at reflektere millioner af præcist placerede strukturer. Men væsker ebber og flyder, så strukturer bliver hurtigt vasket væk.

Imidlertid, Rubin og Fainman bemærkede, at ved grænsefladen mellem en tynd flydende film og et fast stof eller en gas, samspillet mellem væskens overfladespænding og den lokale temperatur kan skabe en lille struktur (f.eks. væsken hober sig op for at skabe en lille bakke). Imidlertid, det var ikke kendt, om strukturerne var signifikante nok til at fungere som en metaoverflade (en type fotonisk krystal) og ændre lysudbredelsen.

Forskerne undersøgte flere arrangementer af flydende film, der let tillader lys at blive styret (i det mindste delvist) i væsken. For at få en struktur, forskerne overvejede, hvordan lysabsorption kunne opvarme væsken. Ved at bruge lysbølger, der krydser hinanden i forskellige vinkler inde i filmen, der skabes et mønster af lyse og mørke pletter - dette mønster kaldes et stående bølgemønster. Væsken absorberer kun energi fra de lyse pletter, derfor, væsken vil kun varme op på meget bestemte steder.

Fleksible væsker

Forskerne brugte væskens optiske og termiske egenskaber, kombineret med væskedynamiske ligninger og lysudbredelse for at beregne den varme, der absorberes af væsken, og hvordan det ville få det til at deformere lokalt. Forskerne viste, at periodiske arrangementer af bakker og dale i væskefilmen kunne opnås ved at krydse mellem to og fire lysbølger. To lysbølger skaber linjer af bakker og dale, tre lysbølger skaber sekskantede arrangementer af bakker og dal, mens fire lysstråler skaber et skakbrætarrangement. Optiske egenskaber blev derefter beregnet ud fra disse rumlige arrangementer.

For at demonstrere nytten af ​​deres foreslåede metasurface, forskerne beregnede tærsklen for en laser. Hvis et forstærkningsmedie som et farvestof tilsættes væsken, den periodiske deformation af væsken som beskrevet ovenfor kan føre til dannelse af resonatorer, i stand til at understøtte lasertilstande. Ændring af symmetrien af ​​den fotoniske flydende krystal muliggør derefter kontrol af frekvensen og emissionsretningen for lasertilstanden.

Flydende fotoniske krystaller ser ud til at have nogle meget flotte egenskaber. Fordi lys bruges til at skabe mønsteret i væske, mønsteret dannes naturligt og uden fejl. Og, mønsteret kan ændres i farten ved at ændre vinklen mellem lysbølger, eller bølgelængden af ​​det lys, der blev brugt til at skabe mønsteret. Selv bevægelige mønstre kan skabes ved at modulere en af ​​lysbølgerne. Denne iboende fleksibilitet skulle muliggøre mange interessante applikationer i, for eksempel, beregning og sundhedspleje. Imidlertid, succesen af ​​denne tilgang vil afhænge af en fysisk demonstration af det grundlæggende koncept.