Gennembrud i lysmanipulation:Afsløring af nye endelige barrierebundne tilstande

Udforskning af bølgeudbredelse og lokalisering i forskellige medier har været et kernefokus inden for optik og akustik. Specifikt inden for fotonik og fononik har videnskabsmænd været dedikeret til at forstå og kontrollere opførselen af ​​lys og lydbølger i periodiske medier.

Med deres unikke båndgab-egenskaber tilbyder fotoniske krystaller en fremragende platform til at studere bølgeudbredelse og lokalisering. Disse båndgab, forårsaget af krystallens periodiske struktur, kan kontrollere bølgeudbredelsen og endda fuldstændigt hæmme bølger i visse frekvensområder.

Traditionelt mente man, at grænsetilstande i fotoniske krystaller er stærkt påvirket af krystallens størrelse (antal gittersteder). Det blev generelt antaget, at disse tilstande lettere er begrænset i store systemer (med mange gittersteder), da sandsynligheden for tunnelering falder betydeligt med stigende systemstørrelse. Dette fænomen er afgørende for design og implementering af højtydende fotoniske enheder, især i forfølgelsen af ​​høj integration og miniaturisering af enheder.

Derudover har bundne tilstande i kontinuummet (BIC'er) i fotonisk krystalforskning tiltrukket sig opmærksomhed, da de afslører, at visse unikke tilstande kan være begrænset inden for specifikke områder selv i det kontinuerlige spektrum. Dette fænomen giver et nyt perspektiv til at forstå og kontrollere lokaliseringen af ​​lysbølger. Det viser et stort potentiale i praktiske applikationer, såsom at forbedre ydeevnen og effektiviteten af ​​optiske enheder.

Ny forskning offentliggjort i Light:Science &Applications foreslår og bekræfter eksistensen af ​​endelige barrierebundne tilstande. Spektret af et system består typisk af kontinuerlige og diskrete spektre (venstre panel i fig. 1). Konventionel visdom hævder, at egenværdispektret for bundne tilstande er diskret, mens ubundne tilstande danner et kontinuerligt spektrum.

For eksempel, i elektroniske systemer, hvis partiklens energi er lavere end den potentielle energi ved uendelighed, er tilstanden bundet med et diskret spektrum; hvorimod partikler med energi højere end den potentielle energi spredes og danner et kontinuerligt spektrum.

For lys- og lydbølger dannes diskrete tilstande på grund af grænsebetingelser pålagt af en barriere, såsom et "båndgab". Disse diskrete tilstande kan lokaliseres helt under ideelle forhold (uendelig barrierebredde, fig. 1-II). Men når barrierebredden er begrænset, er der en sandsynlighed for, at staten tunnelerer gennem barrieren og bliver en resonanstilstand (fig. 1-III).

Især er bundne tilstande i kontinuummet (BIC'er) rumligt bundet inden for det kontinuerte spektrums energi/frekvensområde (fig. 1-I). Denne undersøgelse introducerer et kontraintuitivt koncept parallelt med BIC'er:visse tilstande kan bindes fuldstændigt i meget tynde båndgab-materialer, hvilket gør dem ude af stand til at tunnelere gennem båndgab-materialet (fig. 1-IV og 1-V).

Undersøgelsen demonstrerer først en speciel spejlsymmetrisk fotonisk krystalstrimmelstruktur, hvor overgangen af ​​grænsetilstande kan fint kontrolleres. Når bredden af ​​den fotoniske krystal (antallet af gittersteder langs y-retningen, N_y ) er lille, interagerer grænsetilstandene på begge sider og opdeles i ulige og lige tilstande (fig. 2 a–d).

Ved specifikke bølgevektorer (knudepunkter) er koblingsstyrken af ​​grænsemodierne nul. Også selvom bredden (N_y ) af den fotoniske krystal er meget lille, kan grænsetilstanden ikke hoppe fra den ene side af den fotoniske krystal til den anden (fig. 2 e–f). Generelt antages det, at mange gittersteder er nødvendige for at undertrykke koblingen af ​​grænsetilstande. Alligevel udfordrer denne undersøgelse denne opfattelse og åbner en ny metode til at manipulere fotonadfærd i mikroskopisk skala.

Efter den tidligere konfiguration fjerner forskere en PEC-grænse af den fotoniske krystal, hvilket afslører en ny konfiguration. De opdagede, at de resterende grænsetilstande ved specifikke nodalbølgevektorer er fuldstændigt fanget og danner Finite Barrier Enabled Bound States in the Continuum (FBIC'er).

Disse FBIC'er udviser ikke-udstrålende egenskaber på grund af afkoblingen af ​​de to grænsetilstande. Ved knudepunkterne, hvor koblingsstyrken af ​​grænsetilstande er nul, eksisterer en tilstand med en strålingskoefficient på nul, når den ene side af PEC'en fjernes, og dens frekvens matcher knudefrekvensen fundet i det dobbelte PEC-scenarie, hvilket identificerer den som en FBIC.

Derudover, ved at ændre det cirkulære dielektrikum til elliptisk for at bryde den oprindelige spejlsymmetri og introducere en ny geometrisk parameter η, definerede undersøgelsen et viklingstal i kx-η parameterrummet, hvilket afslørede de topologiske karakteristika af FBIC'er og bekræftede disse tilstande som BIC'er ( Fig. 3 a–b).

I betragtning af det uundgåelige dielektriske tab ved mikrobølgefrekvenser validerede undersøgelsen eksperimentelt FBIC'er ved at måle dæmpningen af ​​grænsetilstande (fig. 3 c-d), hvilket demonstrerede fuldstændig lokalisering af grænsetilstande inden for meget få gittersteder (N_{y =2, 3 osv.), der tilbyder en ny tilgang til at opnå BIC'er.}

Denne banebrydende undersøgelse udforsker nye fysiske fænomener i fotoniske krystaller og opnår fin kontrol af grænsetilstande. Dette arbejde giver ikke kun en ny forståelse af tunneldannelse og afgrænsning af grænsetilstande i fotoniske krystaller teoretisk, men bekræfter også den fuldstændige lokalisering af grænsetilstande ved specifikke bølgevektorer gennem mikrobølgeeksperimenter, hvilket bringer et nyt perspektiv til fotonikområdet.

Forskningen afslører nye metoder til at manipulere fotonadfærd, hvilket er vigtigt for udvikling af højt integrerede fotoniske enheder. Det tilbyder også nye strategier til brug af fotoniske krystaller til at forbedre lys-stof-interaktioner, hvilket potentielt kan føre til gennembrud i ikke-lineær optik og interaktioner mellem lys og todimensionelle materialer. Disse resultater kan inspirere fremtidig forskning, såsom at anvende disse principper på andre bølgesystemer som f.eks. foniske krystaller.

Flere oplysninger: Tao Liu et al., Finite barriere bound state, Light:Science &Applications (2024). DOI:10.1038/s41377-024-01417-1

Journaloplysninger: Lys:Videnskab og applikationer

Leveret af TranSpread