En ny teknik utvecklad av MIT -forskare avslöjar de inre detaljerna i fotoniska kristaller, syntetiska material vars exotiska optiska egenskaper är föremål för omfattande forskning.

Fotoniska kristaller framställs i allmänhet genom att borra miljontals nära mellanrum, små hål i en platta av transparent material, med hjälp av variationer av mikrochip-tillverkningsmetoder. Beroende på den exakta orienteringen, storlek, och avståndet mellan dessa hål, dessa material kan uppvisa en mängd olika optiska egenskaper, inklusive "superlensing, "vilket möjliggör förstoring som skjuter bortom de normala teoretiska gränserna, och "negativ brytning, "i vilket ljus böjs i en riktning motsatt sin väg genom vanliga transparenta material.

Men för att förstå exakt hur ljuset i olika färger och från olika riktningar rör sig genom fotoniska kristaller kräver extremt komplexa beräkningar. Forskare använder ofta mycket förenklade metoder; till exempel kan de bara beräkna ljusets beteende längs en enda riktning eller för en enda färg.

Istället, den nya tekniken gör hela informationsutbudet direkt synligt. Forskare kan använda en enkel laboratorieinställning för att visa informationen-ett mönster av så kallade "isofrekvenskonturer"-i en grafisk form som enkelt kan fotograferas och undersökas, i många fall elimineras behovet av beräkningar. Metoden beskrivs i veckan i journalen Vetenskapliga framsteg , i ett papper av MIT postdoc Bo Zhen, den senaste Wellesley College -examen och MIT -anslutna Emma Regan, MIT -professorer i fysik Marin Soljacic och John Joannopoulos, och fyra andra.

Upptäckten av denna nya teknik, Zhen förklarar, kom till genom att titta närmare på ett fenomen som forskarna hade märkt och till och med använt i åratal, men vars ursprung de inte tidigare hade förstått. Mönster av spritt ljus tycktes fläta ut från prover av fotoniska material när proverna belystes med laserljus. Spridningen var överraskande, eftersom den underliggande kristallina strukturen tillverkades för att vara nästan perfekt i dessa material.

"När vi skulle försöka göra en lasermätning, vi skulle alltid se detta mönster, "Säger Zhen." Vi såg den här formen, men vi visste inte vad som hände. "Men det hjälpte dem att få sin experimentella inställning ordentligt anpassad, eftersom det spridda ljusmönstret skulle dyka upp så snart laserstrålen var korrekt uppradad med kristallen. Vid noggrann analys, de insåg att spridningsmönstren genererades av små defekter i kristallen - hål som inte var helt runda i formen eller som var något avsmalnande från ena änden till den andra.

"Det finns fabrikationsstörning även i de bästa proverna som kan göras, "Säger Regan." Folk tror att spridningen skulle vara mycket svag, eftersom provet är nästan perfekt, "men det visar sig att vid vissa vinklar och frekvenser, ljuset sprids mycket starkt; så mycket som 50 procent av det inkommande ljuset kan spridas. Genom att belysa provet i tur och ordning med en sekvens av olika färger, det är möjligt att bygga upp en fullständig visning av de relativa vägar ljusstrålar tar, över hela det synliga spektrumet. Det spridda ljuset ger en direkt bild av isofrekvensens konturer-en slags topografisk karta över hur ljusstrålar i olika färger böjer sig när de passerar genom den fotoniska kristallen.

"Detta är en mycket vacker, mycket direkt sätt att observera isofrekvensens konturer, "Säger Soljacic." Du lyser bara på provet, med rätt riktning och frekvens, "och det som kommer ut är en direkt bild av den information som behövs, han säger.

Fyndet kan potentiellt vara användbart för ett antal olika applikationer, säger laget. Till exempel, det kan leda till ett sätt att göra stora, transparenta skärmar, där det mesta ljuset skulle passera rakt igenom som genom ett fönster, men ljus av specifika frekvenser skulle spridas för att ge en tydlig bild på skärmen. Eller, metoden kan användas för att göra privata skärmar som bara skulle vara synliga för personen direkt framför skärmen.

Eftersom det är beroende av brister i kristallens tillverkning, denna metod kan också användas som en kvalitetskontroll för tillverkning av sådana material; bilderna ger en indikation på inte bara det totala antalet brister, men också deras specifika karaktär - det vill säga om den dominerande störningen i provet kommer från icke -cirkulära hål eller etsningar som inte är raka - så att processen kan justeras och förbättras.

Teamet inkluderade också forskare vid MIT Research Laboratory of Electronics, inklusive Yuichi Igarashi (nu på NEC Corporation i Japan), Ido Kaminer, Chia Wei Hsu (nu vid Yale University), och Yichen Shen. Arbetet fick stöd av Army Research Office genom Institute for Soldier Nanotechnologies vid MIT, och av US Department of Energy genom S3TEC, ett Energy Frontier Center.