Учени използват силата на Лоренц, за да спрат светлината

Учени са разработили иновативен метод за пълно спиране на светлинните вълни чрез промяна на структурата на двуизмерен фотонен кристал. 

Една проста деформация на двуизмерен фотонен кристал може да доведе до пълно спиране на светлинните вълни - това е постижение, което може да промени бъдещето на нанофотонната технология.

Изследването на нидерландския научен институт AMOLF, в партньорство с Технологичния университет в Делфт, е  представено в Nature Photonics.

Това постижение, независимо възпроизведено от изследователи от Държавния университет на Пенсилвания и публикувано в същото списание, представлява голям скок напред във фотониката. Способността да се манипулира светлината толкова прецизно може да проправи пътя за ново поколение ултра-ефективни оптични устройства.

Контрол на светлината на микроскопично ниво

Управлението на движението на светлината в материалите е от съществено значение за развитието на високоефективни нанофотонни чипове – ключови елементи в новите оптични технологии.

В традиционната електроника учените регулират потока на електрони чрез магнитни полета, но светлината, съставена от неутрални фотони, не реагира по същия начин на такива сили.

Хирални крайни състояния чрез нехомогенни PMF. Кредит: Nature Photonics

За електроните влиянието на магнитното поле се определя от силата на Лоренц, която променя траекторията им и осигурява прецизен контрол. Липсата на електрически заряд при фотоните означава, че те не разполагат с този естествен механизъм, което налага търсенето на алтернативни методи за манипулация.

Създаване на "магнитно поле" за фотони

Групата Photonic Forces в AMOLF изследва възможности за създаване на ефект, подобен на магнитно поле, но приложим за фотони. Чрез проектиране на материали с уникални оптични свойства те се стремят да насочват и ограничават светлината по начини, които досега се смятаха за невъзможни.

Водещият изследовател Еволд Верхаген (Ewold Verhagen) обяснява, че тяхната работа е вдъхновена от поведението на електроните в кондензираната материя.

"В проводник електроните се движат свободно, но силно магнитно поле може да наруши това движение, принуждавайки ги да следват кръгови траектории. Това ограничение предотвратява проводимостта и заключва електроните в специфични енергийни нива, известни като нива на Ландау."

Интересен паралел съществува при графена – едноатомно дебел слой въглеродни атоми, подредени на шестоъгълници като пчелна пита.

"Графенът е отличен проводник, но ако го разтегнем като ластик, това променя атомната му структура и ефективно го превръща в изолатор," пояснява Верхаген. Това механично напрежение кара електроните да заемат дискретни енергийни състояния, наподобяващи тези в магнитно поле.

Фотонни кристали: Платформа за манипулиране на светлината

Въз основа на тази идея учените проучват дали подобен подход може да се приложи и за фотони. Чрез внимателна деформация на фотонен кристал те откриват начин да контролират светлината по аналогичен начин, което предоставя революционен инструмент за оформяне на поведението на фотоните в наномащабни устройства.

В сътрудничество с Кобус Кайперс (Kobus Kuipers) от Технологичния университет в Делфт, екипът на Верхаген успешно демонстрира този ефект в фотонен кристал.

"Фотонният кристал представлява двумерен масив от отвори, издълбани в силициев слой," обяснява Рене Барчик (René Barczyk), първи автор и наскоро завършил докторантура в AMOLF. "Светлината обикновено може да се разпространява свободно през този материал, подобно на движението на електрони в графена. Въпреки това, ако внимателно нарушим тази подреденост, можем да деформираме кристалната структура и да ограничим фотоните. По този начин създаваме нива на Ландау за светлината."

Електронно микроскопско изображение на фотонен кристал. Диаметърът на триъгълните отвори е 300 нанометра. Кривината на кристалния масив спира светлинните вълни в кристала да се движат. Кредит: AMOLF

В тези нива на Ландау светлинните вълни спират да се разпространяват и остават неподвижни в кристала. Изследователите потвърждават това явление, доказвайки, че деформираният кристал има същия ефект върху фотоните, както магнитното поле върху електроните.

"Чрез манипулиране на модела на деформация можем дори да създадем различни видове ефективни магнитни полета в един и същ материал. Това позволява селективното насочване на светлината в определени области на кристала, което отваря нови възможности за контрол на светлината върху чип", допълва Верхаген. 

Едновременно направени открития проправят път за бъдещи приложения

Изследването на екипа на Верхаген е вдъхновено от теоретични предсказания, направени от учени в Държавния университет на Пенсилвания и Колумбийския университет.

Верхаген разказва:

"По време на първоначалните ни измервания имах възможност да обсъдя работата ни с един от авторите на другото изследване. След като разбрах за техните експериментални опити да постигнат същия ефект, решихме да си сътрудничим и да подадем нашите резултати едновременно. Въпреки че подходите се различаваха леко, и двата екипа успяха да спрат светлинните вълни и да наблюдават нивата на Ландау чрез деформиране на двумерен фотонен кристал."

Това откритие предлага значителен потенциал за приложения в интегралните оптични технологии. 

"Способността да се ограничи и спре светлината на наномащаб може значително да повиши нейната интензивност. Това не би било ограничено до едно конкретно място, а би могло да се постигне по цялата повърхност на кристала. Така концентрираната светлина е от съществено значение за нанофотонните устройства, което може да доведе до по-ефективни лазери и квантови източници на светлина", подчертава Верхаген.

Спектри на отражение в далечно поле, показващи еволюцията на фотонни ленти с нарастваща величина на деформация.  Кредит: Nature Photonics

Бъдещето на нанофотониката

Успешната манипулация на светлината чрез подход, наподобяващ "магнитно поле", в рамките на фотонни кристали отваря вълнуващи перспективи за бъдещето на нанофотониката.

С по-нататъшни изследвания тази технология може да революционизира различни области – от оптичните комуникации до квантовите изчисления.

Справка: Barczyk, R., Kuipers, L. & Verhagen, E. Observation of Landau levels and chiral edge states in photonic crystals through pseudomagnetic fields induced by synthetic strain. Nat. Photon. 18, 574–579 (2024). https://doi.org/10.1038/s41566-024-01412-3

Източник: Scientists use the Lorentz force to stop light in its tracks, The Brighter Side

Още по темата

19/10/2023

Физика

Възпроизвеждането на псевдогравитацията е възможно

07/02/2018

Физика

Светлината може да се спре

13/05/2015

Физика

Природата на светлината

27/04/2015

Технологии

Нов вид поляризация на светлината увеличава скоростта в оптичните канали