Ein Nullindex-Wellenleiter: Forscher beobachten erstmals unendlich lange Wellenlängen

Anonim

Im Jahr 2015 entwickelten Forscher der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) das erste On-Chip-Metamaterial mit einem Brechungsindex von Null, was bedeutet, dass die Phase des Lichts unendlich lang gestreckt werden konnte. Das Metamaterial stellte eine neue Methode zur Manipulation von Licht dar und war ein wichtiger Schritt vorwärts für integrierte photonische Schaltkreise, die Licht anstelle von Elektronen verwenden, um eine Vielzahl von Funktionen auszuführen.

Jetzt haben die SEAS-Forscher diese Technologie weiter vorangetrieben und einen Null-Index-Wellenleiter entwickelt, der mit aktuellen photonischen Silizium-Technologien kompatibel ist. Dabei beobachtete das Team ein physikalisches Phänomen, das normalerweise nicht beobachtbar ist - eine stehende Lichtwelle.

Die Forschung wird in ACS Photonics veröffentlicht. Das Harvard Office of Technology Development hat eine Patentanmeldung eingereicht und untersucht Möglichkeiten der Kommerzialisierung.

Wenn sich eine Wellenlänge des Lichts durch ein Material bewegt, werden seine Spitzen und Tröge in Abhängigkeit von den Eigenschaften des Materials kondensiert oder gestreckt. Wie stark die Wellenkämme einer Lichtwelle kondensiert sind, wird als Verhältnis ausgedrückt, das als Brechungsindex bezeichnet wird - je höher der Index, desto stärker die Wellenlänge.

Wenn der Brechungsindex auf Null reduziert wird, verhält sich das Licht nicht länger als eine sich bewegende Welle, die sich durch den Raum in einer Reihe von Kuppen und Tälern bewegt, die auch als Phasen bezeichnet werden. Stattdessen wird die Welle unendlich lang gestreckt und erzeugt eine konstante Phase. Die Phase oszilliert nur als Zeitvariable, nicht als Raum.

Dies ist für die integrierte Photonik interessant, da die meisten optischen Geräte Interaktionen zwischen zwei oder mehr Wellen verwenden, die sich synchron fortpflanzen müssen, wenn sie sich durch die Schaltung bewegen. Wenn die Wellenlänge unendlich lang ist, ist die Anpassung der Phase der Wellenlängen des Lichts kein Problem, da die optischen Felder überall gleich sind.

Aber nach dem ersten Durchbruch im Jahr 2015 stieß das Forschungsteam auf eine Catch-22. Da das Team mit Prismen prüfte, ob das Licht auf dem Chip tatsächlich unendlich gestreckt war, wurden alle Geräte in Form eines Prismas gebaut. Prismen sind jedoch keine besonders nützlichen Formen für integrierte Schaltungen. Das Team wollte ein Gerät entwickeln, das direkt in existierende photonische Schaltkreise eingesteckt werden kann und dafür ist die nützlichste Form ein gerader Draht oder Wellenleiter.

Die Forscher, angeführt von Eric Mazur, dem Balkanski-Professor für Physik, bauten einen Wellenleiter, konnten aber ohne Hilfe eines Prismas nicht nachweisen, ob er einen Brechungsindex von Null hatte.

Dann hatten die Postdoktoranden Orad Reshef und Philip Camayd-Muñoz eine Idee.

Normalerweise ist eine Wellenlänge des Lichts zu klein und oszilliert zu schnell, um irgendetwas außer einem Durchschnitt zu messen. Die einzige Möglichkeit, eine Wellenlänge tatsächlich zu sehen, besteht darin, zwei Wellen zu kombinieren, um Interferenz zu erzeugen.

Stellen Sie sich Saiten auf einer Gitarre vor, die auf beiden Seiten befestigt sind. Wenn eine Saite gezupft wird, bewegt sich die Welle durch die Saite, trifft den Stift auf der anderen Seite und wird zurückreflektiert - wodurch zwei Wellen erzeugt werden, die sich mit der gleichen Frequenz in entgegengesetzte Richtungen bewegen. Diese Art von Interferenz wird als stehende Welle bezeichnet.

Reshef und Camayd-Muñoz wendeten die gleiche Idee auf das Licht im Wellenleiter an. Sie "fixierten" das Licht, indem sie Strahlen in entgegengesetzte Richtungen durch das Gerät strahlten, um eine stehende Welle zu erzeugen. Die einzelnen Wellen oszillierten immer noch schnell, aber sie oszillierten mit der gleichen Frequenz in entgegengesetzte Richtungen, was bedeutete, dass sie sich an bestimmten Punkten gegenseitig aufhoben und andere Punkte zusammenfügten, wodurch ein Lichtmuster oder ein dunkles Muster erzeugt wurde. Und dank des Zero-Index-Materials war das Team in der Lage, die Wellenlänge so weit zu vergrößern, dass es sichtbar wurde.

Dies ist möglicherweise das erste Mal, dass eine stehende Welle mit unendlich langen Wellenlängen jemals gesehen wurde.

"Wir konnten eine atemberaubende Demonstration eines Null-Indexes beobachten", sagte Reshef, der vor kurzem eine Stelle an der Universität von Ottawa angenommen hat. "Durch die Ausbreitung durch ein Medium mit solch einem niedrigen Index werden diese Wellenmerkmale, die im Licht typischerweise zu klein sind, um direkt zu detektieren, erweitert, so dass man sie mit einem gewöhnlichen Mikroskop sehen kann."

"Dies erweitert die Silizium-Photonik-Toolbox um ein wichtiges Werkzeug", sagte Camayd-Muñoz. "Es gibt exotische Physik im Zero-Index-Bereich, und jetzt bringen wir das zur integrierten Photonik. Das ist ein wichtiger Schritt, weil es bedeutet, dass wir direkt in herkömmliche optische Geräte einklinken können und echte Anwendungen für Zero-Index-Phänomene finden In der Zukunft können Quantencomputer auf Netzwerken von angeregten Atomen basieren, die über Photonen kommunizieren.Der Wechselwirkungsbereich der Atome ist ungefähr gleich der Wellenlänge des Lichts.Wenn die Wellenlänge groß ist, können wir weitreichende Wechselwirkungen ermöglichen, um das Quantum zu vergrößern Geräte. "

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