Ingenjörer vid University of California San Diego har utvecklat ett material som kan minska signalförlusterna i fotoniska enheter. Framstegen har potential att öka effektiviteten hos olika ljusbaserade teknologier inklusive fiberoptiska kommunikationssystem, laser och solceller.

Upptäckten adresserar en av de största utmaningarna inom fotonikområdet:att minimera förlusten av optiska (ljusbaserade) signaler i enheter som kallas plasmoniska metamaterial.

Plasmoniska metamaterial är material konstruerade i nanoskala för att kontrollera ljus på ovanliga sätt. De kan användas för att utveckla exotiska enheter, allt från osynlighetskappor till kvantdatorer. Men ett problem med metamaterial är att de vanligtvis innehåller metaller som absorberar energi från ljus och omvandlar det till värme. Som ett resultat, en del av den optiska signalen går till spillo, sänker effektiviteten.

I en nyligen publicerad studie publicerad i Naturkommunikation , ett team av fotonikforskare ledda av elektroteknikprofessor Shaya Fainman vid UC San Diego Jacobs School of Engineering visade ett sätt att kompensera för dessa förluster genom att inkorporera i metamaterialet något som avger ljus - en halvledare.

"Vi kompenserar förlusten som introduceras av metallen med förstärkning från halvledaren. Denna kombination kan teoretiskt resultera i noll nettoabsorption av signalen - ett "förlustfritt" metamaterial, sade Joseph Smalley, en elektroingenjör postdoktor i Fainmans grupp och den första författaren till studien.

I deras experiment, forskarna lyste ljus från en infraröd laser på metamaterialet. De fann att beroende på vilket sätt ljuset är polariserat - vilket plan eller riktning (upp och ner, sida till sida) är alla ljusvågor inställda på att vibrera - metamaterialet antingen reflekterar eller avger ljus.

"Detta är det första materialet som beter sig som en metall och en halvledare samtidigt. Om ljuset polariseras åt ett håll, metamaterialet reflekterar ljus som en metall, och när ljuset polariseras åt andra hållet, metamaterialet absorberar och avger ljus av en annan "färg" som en halvledare, sa Smalley.

Forskare skapade det nya metamaterialet genom att först odla en kristall av halvledarmaterialet, kallas indiumgalliumarsenidfosfid, på ett underlag. De använde sedan högenergijoner från plasma för att etsa in smala diken i halvledaren, skapa 40 nanometer breda rader av halvledare med 40 nanometers avstånd. Till sist, de fyllde skyttegravarna med silver för att skapa ett mönster av omväxlande nanostora ränder av halvledare och silver.

"Det här är ett unikt sätt att tillverka den här typen av metamaterial, ", sa Smalley. Nanostrukturer med olika lager görs ofta genom att varje lager placeras separat ovanpå varandra, "som en bunt papper på ett skrivbord, ", förklarade Smalley. Men halvledarmaterialet som används i denna studie (indiumgalliumarsenidfosfid) kan inte bara odlas ovanpå vilket substrat som helst (som silver), annars kommer den att ha defekter. "Istället för att skapa en stapel med omväxlande lager, vi kom på ett sätt att ordna materialen sida vid sida, som mappar i ett arkivskåp, hålla halvledarmaterialet defektfritt."

Som nästa steg, teamet planerar att undersöka hur mycket detta metamaterial och andra versioner av det kan förbättra fotoniska applikationer som för närvarande lider av signalförluster.