Alla som någonsin spelat trummor, stämde en gitarr, eller till och med gjort ett vinglas "sjunga" genom att ringa ett finger längs kanten vet om resonans. Akustiska resonatorer, som hålrummet i en trumma eller ett halvfullt vinglas, vibrerar naturligt vid vissa frekvenser av ljudvågor för att producera specifika toner. Fenomenet resonans kan också appliceras på ljusvågor, med optiska resonatorer som nyckelkomponenter i enheter som lasrar och sensorer.

En studie publicerad i Natur beskriver en ny design för optiska resonatorer som är mer effektiva för att fånga ljus, ett viktigt grundläggande steg mot att göra effektivare optiska enheter. Arbetet genomfördes av Bo Zhen och Ph.D. student Jicheng Jin från Penn och forskare vid Peking University och MIT.

En del av det som gör ljuset så svårt att fånga i en resonator är att ljuset består av högfrekventa vågor, vilket betyder att deras våglängder är extremt små - miljontals gånger mindre än de akustiska vågorna människor hör varje dag. För att fånga dessa små vågor under lång tid, optiska resonatorer måste inte bara vara otroligt små utan också extremt exakta. "Problemet är att tillverkningen inte är perfekt, "förklarar Zhen." Naturligtvis, tillverkningsprocessen kommer att introducera grovhet på ytan och fluktuationer i den ursprungliga designen, så den faktiska enheten är i praktiken alltid ojämn. "

Den "ojämna" och ofullkomliga karaktären hos optiska resonatorer är vad som för närvarande begränsar en enhets kvalitetsfaktor, eller den tid som resonatorn kan fånga upp ljus innan vågorna försvinner. Med tanke på begränsningarna i konstruktionen av sådana enheter, forskarna försökte göra en optisk resonator som var mindre benägen för inneboende brister.

Detta arbete baserades på Zhens tidigare forskning om teorin om topologiska laddningar, kallas också bundna tillstånd i kontinuum. Topologiska laddningar bildas genom störningar, ett vanligt vågfenomen som kan ses när vågor kraschar in i varandra och antingen lägger till större vågor eller avbryter varandra. Topologiska laddningar uppstår när strålningsvågorna som kommer ut från enheten avbryter varandra, gör att enheten kan innehålla ljusets energi längre.

Med insikter från Zhens teori, forskarna utformade, simulerad, och tillverkade optiska resonatoranordningar som kallas fotoniska kristallplattor, som är mönstrade med nanometerstora hål fördelade jämnt från varandra. Deras enhet var fortfarande "ofullkomlig, "med ojämna ytor synliga under ett svepelektronmikroskop, men designens unika topologiska drag förbättrade kvalitetsfaktorn kraftigt, eller förmågan att fånga ljus under en mycket längre tid än vad som annars är möjligt.

En unik egenskap hos enheten är att den kan generera nio unika topologiska laddningar. Varje separat laddning går sedan samman till en, orsakar en ännu starkare avbrytning av strålningsvågorna, fånga ljus i enheten under längre perioder.

Sammanslagningen av anklagelserna var ett fenomen som hade förutsetts i tidigare arbeten, förklarar Zhen, men gruppens senaste uppsats gav en stark teoretisk förståelse för dess effekt på kvalitetsfaktorer. "Det faktum att de har nio anklagelser som går samman på samma punkt är en mycket unik egenskap. Till en början är det ganska missvisande; du kan tolka det på olika sätt, och vi spårades åt andra håll. Så småningom, genom mycket tänkande, allt löste sig. "

Deras innovativa plattform, med en kvalitetsfaktor 10 gånger större än andra enheter som inte använder sammanslagna topologiska laddningar, kan leda till förbättringar i många optikbaserade applikationer. Vidare, forskarna visade redan användbarheten av deras tillvägagångssätt på en omedelbar verklig applikation, när studien tittade på ljusets våglängder som redan används för telekommunikation.

Tack vare deras kompletterande kompetensområden, från tillverkning av enheter vid Peking University och teoretisk fysik vid Penn, forskarna kunde utveckla en enkel, fysikbaserad lösning på en tidigare olöst teknisk utmaning.

"Det förbättrar kvaliteten utan att optimera tillverkningen, "säger Jin, som nyligen tog sin magisterexamen från Peking University och nu är en doktorand i Zhens laboratorium. "Du behöver inte göra krävande arbete för att förbättra tillverkningsmetoderna, du behöver bara välja en smart design. Det finns inga komplicerade knep, men du kan se en riktigt bra förbättring. "