Kohti täydellisiä optisia resonaattoreita

Aalto yliopiston tutkijat osoittavat, kuinka luodaan korkealaatuisia resonaattoreita optisesti absorboivista materiaaleista

Kannettavista laserosoittimista fotonisiin kvanttitietokoneisiin, optisilla resonaattoreilla on kaikilla yksi yhteinen piirre: niiden tehtävänä on vangita ja keskittää fotoneja mahdollisimman pitkään.

Kaikki resonaattorit ovat niiden rakenteesta riippumatta alttiita häviöille, jotka heikentävät suorituskykyä. Optisissa järjestelmissä suurimmat häviöt johtuvat valosta, joka karkaa pois resonaattorista säteilyhäviönä tai absorboitumalla materiaaliin ja muuttumalla lämmöksi.

Vaikka tutkijat ovat vähentäneet säteilyhäviötä käyttämällä destruktiivista interferenssiä ilmiössä, joka tunnetaan optisesti sidottuna jatkumona, absorptiohäviötä on yleisesti pidetty väistämättömänä optisissa järjestelmissä, joissa käytetään absorboivia materiaaleja, kuten metalleja.

Aalto-yliopiston akatemiatutkija Radoslaw Kolkowski ja lehtori Andriy Shevchenko ovat osoittaneet, kuinka optisia resonaattoreita voidaan parantaa niin, että se kumoaa molemmat häviötyypit.

"Lieventämällä sekä säteily- että absorptiohäviöitä, voimme teoriassa vangita fotoneja suljettuun järjestelmään loputtomiin, vaikka käytämme absorboivaa materiaalia järjestelmän rakentamiseen", Kolkowski sanoo. "Resonanssin laatutekijöiden tehostaminen mahdollistaa valon ja aineen vuorovaikutuksen parantamisen, mitä voidaan sitten hyödyntää monissa sovelluksissa, esimerkiksi laserteknologiassa, spektroskopiassa, metrologiassa ja epälineaarisessa optiikassa."

Julkaistussa tutkimusartikkelissa Kolkowski simuloi metapintaa, joka oli valmistettu joukosta hävikkialttiita kultananohiukkasia ja tasomaisesta aaltojohteesta, jolloin se tukee kahta ohjattua tilaa. Näin hän pystyi luomaan hybridiresonanssin, jossa ei ollut säteily- eikä absorptiohäviöitä. Esitetty häviönpoistomekanismi on universaali ja sillä on potentiaalia radikaalisti parantaa kaikenlaisiaresonaattoreita optiikan ulkopuolella.

Vaikka teoria on ilmatiivis, todellisessa käytössä on silti tilaa tehottomuudelle. Tämä voi johtua valmistusvirheistä ja absorboivien resonanssirakenteiden rajallisesta koosta. Silti tutkimuksessa ilmennyt fotonijärjestelmien laadun parantaminen avaa tien eteenpäin ylivertaisten laitteiden valmistamiselle, joissa on lukemattomia uusia toimintoja, kommentoivat tutkijat yliopistonsa tiedotteessa.

Aiheesta aiemmin:

Resonaattorit hidastavat valoa