Källor som integrerar två konstgjorda optiska materialkoncept kan driva ultrasnabb "Li-Fi" -kommunikation.

I många applikationer, Li-Fi genom luften optiska nätverk har potentiellt stora fördelar jämfört med Wi-Fi och andra radiofrekvenssystem. Li-Fi-nät kan fungera i extremt höga hastigheter. De kan utnyttja ett extremt brett spektrum av frekvenser. De undviker störningsproblem som plågar radiofrekvenssystem, som är särskilt problematiska i högsäkerhetsmiljöer som flygplanscockpits och kärnkraftverk. De är mindre öppna för hackare. Och även om deras utbud är relativt begränsat, de behöver inte siktlinjer för att fungera, sa Evgenii Narimanov, en professor i el- och datateknik vid Purdue University.

Dagens Li-Fi-nät kan inte fullt ut uppnå alla dessa potentiella fördelar eftersom de saknar lämpliga ljuskällor, han sa.

Men design som integrerar två optiska materialkoncept i "fotoniska hyperkristaller" kan fylla denna lucka.

Narimanov föreslog detta koncept första gången 2014. Denna månad, han och kollegor vid City College i New York rapporterade demonstrationer av fotoniska hyperkristaller med kraftigt ökade ljusutsläppshastigheter och intensiteter i Förfaranden från National Academy of Sciences ( PNAS ).

Fotoniska hyperkristaller kombinerar egenskaperna hos metamaterial och fotoniska kristaller, både "konstgjorda" optiska material med egenskaper som vanligtvis inte finns i naturen, sa Narimanov.

Metamaterial skapas av konstgjorda byggstenar som är mycket mindre än ljusets våglängd, medan i fotoniska kristaller är storleken på "enhetscellen" jämförbar med denna våglängd. Även om dessa två typer av kompositmaterial generellt visar mycket olika egenskaper, de fotoniska hyperkristallerna kombinerar dem alla inom samma struktur.

Fotoniska hyperkristaller är baserade på en typ som kallas hyperboliska metamaterial, som kan byggas med alternerande lager av metall och dielektriska material - där den elektriska strömmen bara kan vandra längs metallskikten.

"Rent generellt, för ljus, metaller och dielektrika är fundamentalt olika:ljus kan färdas i dielektrikum, men reflekteras tillbaka från metaller, "Sade Narimanov." Men ett hyperboliskt metamaterial uppför sig som metall längs skikten och som ett dielektrikum i riktningen vinkelrätt mot skikten, på samma gång. För ljus, hyperboliska medier är, därför, materiens tredje stånd, helt annorlunda än de vanliga metaller och dielektriker. "

Bland de intressanta egenskaper som denna struktur ger, metamaterialet rymmer ett stort antal fotoniska tillstånd, möjliggör spontan ljusutsläpp vid extremt höga hastigheter.

"För en ljuskälla, problemet är att det här ljuset i det hyperboliska metamaterialet inte kan komma ut, sa Narimanov.

Ange fotoniska kristaller - periodiska nanostrukturer som kan manipulera optisk störning för att optimera ljusöverföringen.

I de integrerade fotoniska hyperkristaller som presenteras i PNAS -papperet, det hyperboliska metamaterialet består av omväxlande lager av silver (metallen) och aluminiumoxid (dielektrikumet). Sexkantiga matriser med hål frästa i skikten skapar den fotoniska kristallen. I designen, det synliga ljuset avges av kvantprickar (halvledarnanopartiklar som kan avge ljus) inbäddade i ett av lagren som bildar det hyperboliska metamaterialet.

Resultatet:extremt höga nivåer av kontroll och förbättring av det utsända ljuset.

"Dessa fotoniska hyperkristaller tillverkades vid City University of New Yorks Advanced Science Research Center med användning av standard nano- och mikrotillverkningstekniker som tunt filmindunstning och fokuserad jonstrålfräsning, sa Tal Galfsky, en CCNY doktorand som är huvudförfattare på PNAS papper. "Dessa tekniker är skalbara med modern industriell kapacitet."

Vinod Menon, CCNY professor i fysik, är seniorförfattare på tidningen, och CCNY -doktoranden Jie Gu bidrog också till arbetet.

Det arbete som rapporteras i PNAS visar att "på en grundläggande nivå, problemet med att designa fotoniska hyperkristaller har lösts, sa Narimanov.

Han varnar, dock, att betydande tekniska utmaningar måste övervinnas innan dessa enheter kan kommersialiseras. Bland dessa hinder, demonstrationsanordningarna pumpas optiskt med en laser, men kommersiella versioner måste drivas elektriskt och innehålla antingen halvledare eller organiska lysdioder, han sa.

När de mognar, fotoniska hyperkristaller kan också fylla många andra krävande roller inom ultrasnabb optoelektronik. En av de mest lovande vägarna för forskning, Narimanov föreslog, är att skapa mer effektiva versioner av de enfotonvapen som används i kvantinformationsbehandling.