Forskere bremser lyset i metasflader med rekordlavt tab

Lysets hastighed kan bevidst reduceres i forskellige medier. Forskellige teknikker er blevet udviklet gennem årene til at bremse lyset, herunder elektromagnetisk induceret transparens (EIT), Bose-Einstein-kondensat (BEC), fotoniske krystaller og stimuleret Brillouin-spredning (SBS).

Det er bemærkelsesværdigt, at forskere fra Harvard, ledet af Lene Vestergaard Hau, reducerede lyshastigheden til 17 m/s i en ultrakold atomgas ved hjælp af EIT, hvilket vakte interessen for at udforske EIT-analoger i metasurfaces, en transformativ platform inden for optik og fotonik.

På trods af fordelene står strukturer med langsomt lys over for en betydelig udfordring:Tab, som begrænser opbevaringstid og interaktionslængde. Dette problem er særligt alvorligt for metasurface-analoger af EIT på grund af spredningstab af nanopartikler og nogle gange absorptionstab af materialer.

I en undersøgelse offentliggjort i Nano Letters , Dr. Li Guangyuan og kolleger fra Shenzhen Institute of Advanced Technology (SIAT) under det kinesiske videnskabsakademi introducerede en ny strategi til at realisere en metasurface-analog af EIT og samtidig effektivt undertrykke tab.

I modsætning til konventionelle metasurface-analoger af EIT induceret af kobling mellem to lokaliserede resonanser understøttet af tætpakkede meta-atomer eller mellem lokaliserede og kollektive resonanser, foreslog forskerne en ny type kaldet "kollektiv EIT-lignende resonans", som induceres af koblingen mellem to kollektive resonanser - en Mie elektrisk dipol overfladegitterresonans (ED-SLR) og en elektrisk quadrupole SLR (EQ-SLR) i planet eller ude af planet.

Ved at bruge siliciummetaoverflader med et 100 nm tykt nanodisk-array demonstrerede de kollektive EIT-lignende resonanser med en kvalitetsfaktor på over 2.750, mere end fem gange den nyeste. Rent praktisk kan lyset, der passerer gennem siliciumnanodiskene, bremses mere end 10.000 gange, med en reduktion i tabet med mere end fem gange sammenlignet med eksisterende metoder.

Dr. Li forklarede afvigelsen fra den konventionelle tro på, at metasurface-ydeevne afhænger af, hvor tæt meta-atomer kan placeres. Forskerne udforskede det ekstreme regime med nul afstand mellem meta-atomer, og fusionerede dem i det væsentlige til ét. I modsætning til konventionelle metoder tillod deres tilgang tuning af overfladegitterresonanser til at overlappe spektralt, hvilket muliggjorde realiseringen af ​​metasurface-analoger af EIT.

Desuden demonstrerede forskerne en BIC-karakteriseret kollektiv EIT-lignende resonans ved at udnytte overgangen mellem in-plane EQ-SLR og den bundne tilstand i kontinuum (BIC). Dette antydede potentialet til at bremse lyset med en vilkårligt stor faktor og samtidig opretholde en voksende kvalitetsfaktor.

Undersøgelsen lover fotonmanipulation med større fleksibilitet og potentielle anvendelser i fotoniske chips med langsomt lys.

Flere oplysninger: Xueqian Zhao et al., Ultrahigh-Q Metasurface Transparency Band induced by Collective–Collective Coupling, Nano Letters (2024). DOI:10.1021/acs.nanolett.3c04174

Journaloplysninger: Nano-bogstaver

Leveret af Chinese Academy of Sciences