Valon manipuloinnille uudet säännöt

Pyrkiessään kutistamaan ja parantamaan valoa ohjaavia teknologioita MIT:n tutkijat ovat julkistaneet uuden alustan, joka puskee modernin optiikan rajoja nanofotoniikan avulla, eli valon manipuloimalla nanoskaalassa.

”Tämä työ on merkittävä askel kohti tulevaisuutta, jossa nanofotoniset laitteet ovat paitsi kompakteja ja tehokkaita, myös uudelleenohjelmoitavia ja mukautuvia, kykeneviä reagoimaan dynaamisesti ulkoisiin syötteisiin”, kertoo apulaisprofessori ja työn johtaja Riccardo Comin.

Nanofotoniikka on perinteisesti perustunut piihin, piinitridiin tai titaanidioksidiin. Vaikka nämä materiaalit ovat erittäin tehokkaita, niillä on rajoituksina vaatimattomat taitekertoimet ja valmistuksessa syntyvät kiinteät toiminnot.

Nämä ovat pitkäaikaisia haasteita, jotka kromisulfidibromidi (CrSBr) on nyt valmiina ratkaisemaan. CrSBr on kerrostettu kvanttimateriaali, jolla on harvinainen yhdistelmä magneettista järjestystä ja voimakasta optista vastetta. Sen ainutlaatuisten optisten ominaisuuksien keskiössä ovat eksitonit: kvasihiukkaset, jotka muodostuvat, kun materiaali absorboi valoa ja elektroni virittyy, jolloin jäljelle jää positiivisesti varautunut "aukko". Elektroni ja aukko pysyvät yhdessä sähköstaattisen vetovoiman avulla muodostaen eräänlaisen neutraalin hiukkasen, joka voi olla vahvassa vuorovaikutuksessa valon kanssa.

CrSBr:ssä eksitonit hallitsevat optista vastetta ja ovat erittäin herkkiä magneettikentille, eli niitä voidaan manipuloida ulkoisilla ohjauksilla. Näiden eksitonien ansiosta CrSBr:llä on poikkeuksellisen suuri taitekerroin, minkä ansiosta tutkijat voivat muokata materiaalia optisien rakenteiden, kuten fotonisten kiteiden, valmistamiseksi.

Ja ratkaisevasti MIT:n tutkijat pystyivät vaatimattoman magneettikentän avulla vaihtamaan optista moodia jatkuvasti ja palautuvasti ilman liikkuvia osia tai lämpötilan muutoksia. ”Tämän tason hallinnan mahdollistaa jättimäinen, magneettisesti indusoitu taitekertoimen muutos, joka on paljon suurempi kuin mitä vakiintuneilla fotonisilla materiaaleilla on tyypillisesti saavutettavissa”, Demir sanoi.

Itse asiassa valon ja eksitonien välinen vuorovaikutus CrSBr:ssä on niin voimakasta, että se johtaa polaritonien, hybridien valo-aine hiukkasten, muodostumiseen, jotka perivät ominaisuuksia molemmilta komponenteilta. Nämä polaritonit mahdollistavat uusia fotonisen käyttäytymisen muotoja, kuten parantuneita epälineaarisuuksia ja uusia kvanttivalon kuljetusalueita. Ja toisin kuin perinteiset järjestelmät, jotka vaativat ulkoisia optisia onteloita tämän alueen saavuttamiseksi, CrSBr tukee polaritoneja luonnostaan.

Vaikka tässä demonstraatiossa käytetään erillisiä CrSBr-hiutaleita, materiaalia voidaan integroida myös olemassa oleviin fotoniikka-alustoihin, kuten integroituihin fotonipiireihin. Tämä tekee CrSBr:stä välittömästi relevantin reaalimaailman sovelluksissa, joissa sitä voidaan käyttää viritettävänä kerroksena tai komponenttina muuten passiivisissa laitteissa.

Tulokset saavutettiin erittäin kylmissä lämpötiloissa mutta tutkijat uskovat, että on olemassa käyttötarpeita, joissa CrSBr:n viritettävyys voisi perustella toiminnan kryogeenisissä ympäristöissä.

Aiheesta aiemmin:

Magnetismin rajoittamat eksitonit

Uusi ihme- ja kvanttimateriaali