Ultra-kleine optische apparaten herschrijven de regels van lichte manipulatie

In de push om te krimpen en technologieën te verbeteren die licht regelen, hebben MIT -onderzoekers een nieuw platform onthuld dat de grenzen van moderne optica verlegt door nanofotonen, de manipulatie van licht op de nanoschaal of miljardste van een meter.

Het resultaat is een klasse van ultracompacte optische apparaten die niet alleen kleiner en efficiënter zijn dan bestaande technologieën, maar ook dynamisch instelbaar of schakelbaar, van de ene optische modus naar de andere. Tot nu toe was dit een ongrijpbare combinatie in de nanofotoniek.

Het werk is gerapporteerd in de 8 juli nummer van Natuurfotonica.

“Dit werk markeert een belangrijke stap in de richting van een toekomst waarin nanofotone apparaten niet alleen compact en efficiënt zijn, maar ook herprogrammeerbaar en adaptief, in staat om dynamisch te reageren op externe inputs. Het huwelijk van opkomende kwantummaterialen en gevestigde nanofotonische architecturen zal zeker vooruitgang brengen aan beide velden,” zei Riccardo -klasse van 1947. werk. Comin is ook aangesloten bij MIT’s Materials Research Laboratory en Research Laboratory of Electronics (RLE).

Comin’s collega’s over het werk zijn Ahmet Kemal Demir, een afgestudeerde student in de natuurkunde; Luca Nessi, nu een postdoctorale medewerker bij Politecnico Di Milano; Sachin Vaidya, een postdoctorale medewerker bij MIT’s RLE; Connor A. Occhialini; nu een postdoctorale medewerker aan de Columbia University; en Marin Soljačić, de Cecil en Ida Green Professor of Physics aan MIT.

Demir en Nessi zijn co-eerste auteurs van het artikel.

Naar nieuwe nanofotone materialen

Nanofotoniek is traditioneel vertrouwd op materialen zoals silicium, siliciumnitride of titaniumdioxide. Dit zijn de bouwstenen van apparaten die licht leiden en beperken met behulp van structuren zoals golfgeleiders, resonatoren en fotonische kristallen. De laatste zijn periodieke opstellingen van materialen die regelen hoe licht zich voortplant, net zoals hoe een halfgeleider kristal de elektronenbeweging beïnvloedt.

Hoewel zeer effectief, worden deze materialen beperkt door twee belangrijke beperkingen. De eerste betreft hun brekingsindices. Dit zijn een maat voor hoe sterk een materiaal interageert met licht; Hoe hoger de brekingsindex, hoe meer het materiaal “grijpt” of interageert met het licht, buigt het scherper en vertraagt het meer. De brekingsindices van silicium en andere traditionele nanofotone materialen zijn vaak bescheiden, wat beperkt hoe strak licht kan worden beperkt en hoe kleine optische apparaten kunnen worden gemaakt.

Een tweede belangrijke beperking van traditionele nanofotone materialen: zodra een structuur is gefabriceerd, is het optische gedrag in wezen vastgesteld. Er is meestal geen manier om aanzienlijk opnieuw te configureren hoe het op licht reageert zonder het fysiek te wijzigen.

“Afstanderbaarheid is essentieel voor veel nextgen fotonica-toepassingen, waardoor adaptieve beeldvorming, precisie-detectie, herconfigureerbare lichtbronnen en trainbare optische neurale netwerken mogelijk worden,” zei Vaidya.

Introductie van chroomsulfidebromide

Dit zijn de langdurige uitdagingen die chroomsulfidebromide (CRSBR) klaar is om op te lossen. CRSBR is een gelaagd kwantummateriaal met een zeldzame combinatie van magnetische volgorde en sterke optische respons. Centraal in zijn unieke optische eigenschappen staan excitonen: quasiparticles gevormd wanneer een materiaal licht absorbeert en een elektron is geëxciteerd, waardoor een positief geladen “gat” achterblijft. Het elektron en het gat blijven samengebonden door elektrostatische aantrekkingskracht en vormen een soort neutraal deeltje dat sterk kan interageren met licht.

In CRSBR domineren excitonen de optische respons en zijn ze zeer gevoelig voor magnetische velden, wat betekent dat ze kunnen worden gemanipuleerd met behulp van externe bedieningselementen.

Vanwege deze excitonen vertoont CRSBR een uitzonderlijk grote brekingsindex waarmee onderzoekers het materiaal kunnen beeldhouwen om optische structuren zoals fotonische kristallen te fabriceren die tot een orde van grootte dunner zijn dan die van traditionele materialen.

“We kunnen optische structuren zo dun maken als zes nanometer, of slechts zeven lagen atomen die op elkaar zijn gestapeld,” zei Demir.

En cruciaal is dat de MIT -onderzoekers door een bescheiden magnetisch veld toe te passen, in staat waren om de optische modus continu en omkeerbaar te schakelen. Met andere woorden, ze demonstreerden het vermogen om dynamisch te veranderen hoe licht door de nanostructuur stroomt, allemaal zonder bewegende delen of temperatuurveranderingen.

“Deze mate van controle wordt mogelijk gemaakt door een gigantische, magnetisch geïnduceerde verschuiving in de brekingsindex, veel verder dan wat meestal haalbaar is in gevestigde fotonische materialen,” zei Demir.

In feite is de interactie tussen licht en excitonen in CRSBR zo sterk dat het leidt tot de vorming van polaritonen, hybride lichtstatterige deeltjes die eigenschappen van beide componenten erven. Deze polaritonen maken nieuwe vormen van fotonisch gedrag mogelijk, zoals verbeterde niet -lineariteiten en nieuwe regimes van kwantumlichttransport. En in tegenstelling tot conventionele systemen die vereisen dat externe optische holtes dit regime bereiken, ondersteunt CRSBR intrinsiek polaritonen.

Hoewel deze demonstratie zelfstandige CRSBR -vlokken gebruikt, kan het materiaal ook worden geïntegreerd in bestaande fotonische platforms, zoals geïntegreerde fotonische circuits. Dit maakt CRSBR onmiddellijk relevant voor toepassingen in de praktijk, waar het kan dienen als een instelbare laag of component in anders passieve apparaten.

De MIT-resultaten werden bereikt bij zeer koude temperaturen van maximaal 132 K (-222 F). Hoewel dit onder kamertemperatuur ligt, zijn er boeiende use cases, zoals kwantumsimulatie, niet -lineaire optica en herconfigureerbare polaritonische platforms, waar de ongeëvenaarde afgestemdheid van CRSBR de werking in cryogene omgevingen zou kunnen rechtvaardigen.

Met andere woorden, zei Demir: “CRSBR is zo uniek met betrekking tot andere gemeenschappelijke materialen die zelfs naar cryogene temperaturen gaan, hopelijk de moeite waard zijn.”

Dat gezegd hebbende, onderzoekt het team ook gerelateerde materialen met hogere magnetische ordeningstemperaturen om vergelijkbare functionaliteit mogelijk te maken onder meer toegankelijke omstandigheden.