Lys står stille i en deformeret krystal

AMOLF-forskere er i samarbejde med Delft University of Technology lykkedes med at få lysbølger til at standse ved at deformere den todimensionelle fotoniske krystal, der indeholder dem. Forskerne viser, at selv en subtil deformation kan have en væsentlig effekt på fotoner i krystallen. Dette ligner den effekt et magnetfelt har på elektroner.

"Dette princip tilbyder en ny tilgang til at bremse lysfelter og derved øge deres styrke. At realisere dette på en chip er særligt vigtigt for mange applikationer," siger AMOLF-gruppeleder Ewold Verhagen.

Forskerne har offentliggjort deres resultater i tidsskriftet Nature Photonics . Samtidig har et forskerhold fra Pennsylvania State University publiceret en artikel i samme tidsskrift om, hvordan de – uafhængigt af det hollandske hold – demonstrerede en identisk effekt.

Manipulering af lysstrømmen i et materiale i små skalaer er gavnligt for udviklingen af ​​nanofotoniske chips. For elektroner kan en sådan manipulation realiseres ved hjælp af magnetiske felter; Lorentz-kraften styrer elektronernes bevægelse. Dette er dog umuligt for fotoner, fordi de ikke har ladning.

Forskere i Photonic Forces-gruppen på AMOLF leder efter teknikker og materialer, der vil sætte dem i stand til at påføre kræfter på fotoner, der ligner virkningerne af magnetiske felter.

Elektroner

"Vi har søgt inspiration til den måde, hvorpå elektroner opfører sig i materialer. I en leder kan elektroner i princippet bevæge sig frit, men et eksternt magnetfelt kan stoppe dette. Den cirkulære bevægelse, som magnetfeltet forårsager, stopper ledning og som sådan kan elektroner eksisterer kun i materialet, hvis de har meget specifikke energier. Disse energiniveauer kaldes Landau-niveauer, og de er karakteristiske for elektroner i et magnetfelt,« siger Verhagen.

"Men i det todimensionelle materiale grafen - der består af et enkelt lag af kulstofatomer arrangeret i en krystal - kan disse Landau-niveauer også være forårsaget af en anden mekanisme end et magnetfelt. Generelt er grafen en god elektronisk leder , men dette ændrer sig, når krystalarrayet deformeres, for eksempel ved at strække det som elastikker.

"Sådan mekanisk deformation stopper ledning; materialet bliver til en isolator, og derfor er elektronerne bundet til Landau-niveauer. Derfor har deformationen af ​​grafen en lignende effekt på elektroner i et materiale som et magnetfelt, selv uden en magnet. Vi spurgte os selv, hvis en lignende tilgang også ville fungere for fotoner."

Fotonisk krystal

I et samarbejde med Kobus Kuipers fra Delft University of Technology demonstrerede gruppen af ​​Verhagen faktisk en lignende effekt for lys i en fotonisk krystal.

"En fotonisk krystal består normalt af et regulært - todimensionelt - mønster af huller i et siliciumlag. Lys kan bevæge sig frit i dette materiale, ligesom elektroner i grafen," siger førsteforfatter René Barczyk, som med succes forsvarede sin ph.d. afhandling om dette emne i 2023. "At bryde denne regelmæssighed på den helt rigtige måde vil deformere arrayet og følgelig låse fotonerne. Det er sådan, vi skaber Landau-niveauer for fotoner."

I Landau niveauer bevæger lysbølger sig ikke længere; de flyder ikke gennem krystallen, men står stille. Det lykkedes forskerne at demonstrere dette og vise, at deformationen af ​​krystalarrayet har en lignende effekt på fotoner som et magnetfelt på elektroner.

Verhagen siger:"Ved at lege med deformationsmønsteret lykkedes det endda at etablere forskellige typer effektive magnetfelter i ét materiale. Som et resultat kan fotoner bevæge sig gennem visse dele af materialet, men ikke i andre. Derfor giver disse indsigter også nye måder at styre lyset på en chip på."

Samtidige eksperimenter

Verhagens og hans teams arbejde var inspireret af teoretiske forudsigelser fra forskere ved Pennsylvania State University og Columbia University. Verhagen husker:"Da vi lavede vores første målinger, talte jeg tilfældigvis med en af ​​forfatterne til denne anden undersøgelse. Da det viste sig, at de også ledte efter eksperimentelle beviser for effekten, besluttede vi ikke at konkurrere om at være først. at udgive, men i stedet for at indsende værket samtidigt til forlaget."

Mens nogle detaljer i tilgangen var forskellige, var begge hold i stand til at stoppe lysbølger i at bevæge sig og observere Landau-niveauer ved at deformere en todimensionel fotonisk krystal.

"Dette bringer on-chip-applikationer tættere på," siger Verhagen. "Hvis vi kan begrænse lyset på nanoskalaen og bringe det til at standse på denne måde, vil dets styrke blive forstærket enormt. Og ikke kun på ét sted, men over hele krystaloverfladen. En sådan lyskoncentration er meget vigtig i nanofotoniske anordninger, f.eks. for eksempel til udvikling af effektive lasere eller kvantelyskilder."

Flere oplysninger: René Barczyk et al., Observation af Landau-niveauer og chirale kanttilstande i fotoniske krystaller gennem pseudomagnetiske felter induceret af syntetisk belastning, Nature Photonics (2024). DOI:10.1038/s41566-024-01412-3

Journaloplysninger: Naturfotonik

Leveret af AMOLF