Onderzoekers gebruiken gestructureerd licht op een chip in een andere doorbraak op het gebied van fotonica

In het dagelijks leven ervaren we licht in een van zijn eenvoudigste vormen: optische stralen of bundels. Licht kan echter in veel meer exotische vormen voorkomen. Zo kunnen zelfs balken worden gevormd om de vorm van spiralen aan te nemen; zogenaamde vortex-stralen, begiftigd met ongebruikelijke eigenschappen. Dergelijke bundels kunnen stofdeeltjes laten ronddraaien, net zoals ze inderdaad langs ongrijpbare spiralen bewegen.

Lichtmodi met zo’n toegevoegde structuur worden ‘gestructureerd’ genoemd, en zelfs meer exotische vormen van gestructureerd licht kunnen worden bereikt in kunstmatige optische materialen – metamaterialen, waar meerdere lichtgolven samenkomen en combineren om de meest complexe vormen van licht te creëren.

In hun twee recente werken, back-to-back gepubliceerd in Wetenschappelijke vooruitgangEn Natuur Nanotechnologiehebben onderzoekers van het City College of New York van de groep van Alexander Khanikaev gestructureerd licht gecreëerd op een siliciumchip en deze toegevoegde structuur gebruikt om nieuwe functionaliteiten en besturing te verkrijgen die voorheen niet beschikbaar waren.

Daartoe werden tweedimensionale optische metamaterialen, ook wel metasurfaces genoemd, gecreëerd die een speciaal soort gestructureerd licht herbergen dat ronddraait, net als wervelstralen. Door experimenten uitgevoerd in het laboratorium van Khanikaev aan The City College, demonstreerden onderzoekers een nieuw soort valstrik om gestructureerde optische modi te beperken en ze op de chip te begeleiden.

In hun Wetenschappelijke vooruitgang werk, onderzoekers laten zien dat, door het patroon van metasurface langzaam in twee richtingen te veranderen, men optische resonatoren kan creëren die gestructureerd licht vasthouden en uitstralen. Interessant is dat deze onderliggende structuur aanleiding gaf tot ongebruikelijke patronen van het uitgestraalde licht – optische wervelbundels.

Het toepassen van een vergelijkbare langzame verandering in het patroon in één richting, zoals gerapporteerd in Natuur Nanotechnologie werk hebben onderzoekers waveguided gemaakt voor gestructureerd licht. Deze kanalen maken het geleiden van optische signalen mogelijk terwijl de interne structuur van het licht behouden blijft. Als zodanig is dit vergelijkbaar met de stroom van stromen in draden, als we draden zouden kunnen hebben met twee soorten ladingen.

Interessant is dat dergelijke stromingen recentelijk van enorm belang zijn geweest in de elektronica, en er werd een volledig nieuwe klasse van elektronische apparaten voorgesteld, gewoonlijk spintronic of valleytronic genoemd. In dergelijke apparaten is het niet de stroom van lading zelf die signalen zou overbrengen, maar spin of dal van elektronen, wat een overvloed aan voordelen belooft in vergelijking met conventionele elektronische apparaten.

Het werk van Khanikaev stelt een soortgelijk concept voor, maar met licht in plaats van elektronen. In tegenstelling tot elektronische systemen hebben optica en fotonica echter één belangrijk voordeel: optische modi hebben niet in dezelfde mate last van decoherentie als elektronen, wat van vitaal belang kan zijn voor kwantumtechnologieën.

De demonstraties van de groep van Khanikaev kunnen om verschillende redenen nuttig zijn voor kwantumtoepassingen. De toegevoegde structuur van optische modi kan dus worden gebruikt om kwantuminformatie in de vorm van kwantumbits te coderen. Deze informatie kan vervolgens op een chip worden getransporteerd of in de vrije ruimte worden uitgezonden om kwantuminformatie tussen systemen op afstand te communiceren.

De Khanikaev-groep gaat in deze richting en werkt momenteel aan het implementeren van deze ideeën met kwantumtoestanden van gestructureerd licht en het realiseren van kwantumlogica in hun fotonische nanostructuren.