Fanget lys kredser i et spændende materiale

Lys bliver fanget, når det kredser i små granulat af et krystallinsk materiale, som i stigende grad har fascineret fysikere, et hold ledet af University of California, San Diego, fysikprofessor Michael Fogler har fundet.

Sekskantet bornitrid, stablede lag af bor- og nitrogenatomer arrangeret i et sekskantet gitter, har for nylig vist sig at bøje elektromagnetisk energi på usædvanlige og potentielt nyttige måder.

Sidste år demonstrerede Fogler og kolleger, at lys kunne opbevares i nanoskala granulat af sekskantet bornitrid. Nu har Foglers forskningsgruppe offentliggjort et nyt papir i tidsskriftet Nano bogstaver der uddyber, hvordan dette fangede lys opfører sig inde i granulatet.

Lysets partikler, kaldet fonon polaritoner, ikke adlyde standardlove for refleksion, når de hopper gennem granulatet, men deres bevægelse er ikke tilfældig. Polariton-stråler udbreder sig langs stier i faste vinkler i forhold til materialets atomare struktur, Folgers hold rapporterer. Det kan føre til interessante resonanser.

"Banerne for de fangede polaritonstråler er meget indviklede i de fleste tilfælde, " sagde Fogler. "Men, ved visse 'magiske' frekvenser kan de blive simple lukkede baner."

Når det sker, kan der opstå "hot spots" af stærkt forstærkede elektriske felter. Foglers gruppe fandt ud af, at de kan danne kunstfærdige geometriske mønstre i granulat med kugleformet form.

Polaritonerne er ikke kun partikler, men også bølger, der danner interferensmønstre. Når det overlejres på de varme konturer af forbedrede elektriske felter, disse skaber slående smukke billeder.

"De ligner Fabergé-æg, de russiske zarers perlebeklædte skatte, " observerede Fogler.

Udover at skabe smukke billeder, deres analyse illustrerer, hvordan lyset opbevares inde i materialet. Mønstrene og de magiske frekvenser bestemmes ikke af sfæroidens størrelse, men dens form, det er, forholdet mellem dens omkreds og længde. Analysen afslørede, at en enkelt parameter bestemmer den faste vinkel, langs hvilken polaritonstråler forplanter sig i forhold til sfæroidernes overflade.

Forskere er begyndt at finde praktiske anvendelser for materialer såsom sekskantet bornitrid, der manipulerer lys på sædvanlige måder. Teorien, som dette arbejde gav grundlag for, kunne guide udviklingen af ​​applikationer såsom nanoresonatorer til højopløsningsfarvefiltrering og spektral billeddannelse, hyperlinser til subdiffraktionel billeddannelse, eller infrarøde fotonkilder.

Analysen giver en teoretisk forklaring på tidligere observationer af indfanget lys. Fogler og kolleger foreslår flere eksperimenter, der kunne bekræfte deres forudsigelse af kredsende lys ved hjælp af avancerede optiske teknikker, hvoraf nogle er i gang, sagde Fogler. "Den eksperimentelle søgen efter at opdage kredsende polaritoner er allerede begyndt."