Остановка световых волн в кристалле обещает новые способы управления фотонами

Фото из открытых источников

Поиск новых способов замедления мимолетных волн света или даже остановки их движения может привести к созданию более совершенных фотонных устройств, таких как лазеры, светодиодные дисплеи, оптоволокно и датчики. Исследование команды было опубликовано в журнале Nature Photonics.

В хитроумной ловушке, сделанной из кристалла кремния, настроенной так, чтобы вести себя так, как будто он деформируется, ученые нашли новый гибкий способ заставить световые волны стоять абсолютно неподвижно.

Свет можно остановить несколькими способами, например, охлаждением облаков атомов или даже сплетением световых волн вместе. Этот новый метод, разработанный AMOLF и Делфтским технологическим университетом в Нидерландах, имеет преимущества, которые могут воплотить в реальность новые технологические применения.

«Этот принцип предлагает новый подход к замедлению световых полей и тем самым увеличению их силы», — говорит физик Эвольд Верхаген из AMOLF. «Реализация этого на чипе особенно важна для многих приложений».

Работа команды была основана на манипулировании электронами с помощью двумерных материалов, таких как графен. В проводящем материале электроны могут свободно перемещаться, двигаясь, как крошечное шоссе. Однако применение магнитного поля может ограничить движение электронов до определенных энергий, известных как уровни Ландау.

Не только магниты толкают электроны на уровни Ландау. Двумерный графен, состоящий из одного слоя атомов, тоже может это сделать. Обычно графен является проводящим; но если вы деформируете или искажаете графен, например, растягивая его, вы можете удержать электроны на уровнях Ландау, превратив обычно проводящий материал в изолятор.

Вместе с Рене Барчиком из AMOLF и Кобусом Койперсом из Делфтского университета Верхаген стремился выяснить, смогут ли они найти материал, который оказывает на фотоны такое же воздействие, как тот, который деформированный графен оказывает на электроны.

Теперь светом можно манипулировать с помощью материала, похожего на графен, называемого фотонным кристаллом. Исследователи обнаружили, что они могут аналогичным образом останавливать световые волны.

«Фотонный кристалл обычно состоит из регулярного — двумерного — набора отверстий в слое кремния. Свет может свободно перемещаться в этом материале, точно так же, как электроны в графене», — объясняет Барчик. «Нарушение этой закономерности правильным образом деформирует массив и, следовательно, заблокирует фотоны. Именно так мы создаем уровни Ландау для фотонов».

Сотовые фотонные кристаллы команды смогли ограничить свет уровнями Ландау, используя процесс, который представлял собой различные виды деформации, такие как искривление или деформация. И им даже удалось вызвать разные типы деформации в разных местах одного и того же материала, в результате чего появился фотонный кристалл, в котором свет может свободно течь в одних частях, но задерживается в других.

Открытие требует дальнейшего развития, но оно приближает ученых на шаг к точному управлению светом в очень малых масштабах.

«Это приближает встроенные приложения», — говорит Верхаген. «Если мы сможем ограничить свет на наноуровне и остановить его таким образом, его сила будет значительно увеличена. И не только в одном месте, но и по всей поверхности кристалла. Такая концентрация света очень важна в нанофотонных устройствах, поскольку пример разработки эффективных лазеров или квантовых источников света».