Interaktioner mellan ljus och materia är en grundläggande enhet i modern fysik, men nyligen har forskare börjat se bortom de vanliga lärobokens interaktioner.

Alexandra Boltasseva är professor i el- och datateknik vid Purdue University. I åratal, hon har arbetat med optiska metamaterial (konstgjorda material som innehåller nanostrukturer som ger dem unika visuella egenskaper) för att skapa nanotweezers, metasytor och andra små föremål. Nu, hon utforskar ett helt nytt kapitel i fysik.

"Om vi ​​tittar på en lärobok och det finns ett kapitel om hur ljus interagerar med materia, det skulle gå från hur ljus interagerar med transparenta material till hur ljus interagerar med reflekterande material, " sa Boltasseva. "Vad vi ska studera är detta område mellan de två typerna."

När ljus sprider sig genom transparenta material, ljuset förändras inte så mycket, vilket betyder att den har en positiv dielektrisk permittivitet (även kallad epsilon). Det motsatta gäller för reflekterande material, som släpper ut ljus och har en negativ permittivitet (negativ epsilon). Mellan positivt och negativt finns en exotisk, till stor del outforskad region som kallas Epsilon-Near-Zero (ENZ).

När ljuset kommer in i ett medium vars permittivitet är noll, observatörer kommer att se samma ljus gå in och komma ut. Det är nästan som att ljuset tunnlar från ena sidan till den andra utan att ändra dess egenskaper - ett osannolikt fenomen inom fysiken.

"Eftersom noll är så annorlunda än plus och minus ett, vi förväntar oss att det händer många intressanta saker där, " sa Boltasseva. "Det ger helt ny fysik och insikter i spel."

Konventionella ENZ -media, som metall, har naturligt förekommande nollkorsningar men upplever ofta materialförlust (ljusabsorption) vid den punkten. Att hitta ett material som har en nollkorsning men som inte tillåter ljusabsorption kommer att vara svårt, Sa Boltasseva.

Forskargruppen planerar att experimentera med både naturmaterial och nya metamaterial, även om naturliga material är mer benägna att uppleva absorption. Att lägga till ett ljusförstärkande medium kan motverka absorption, men det skulle vara utmanande. Gruppen tror på transparenta ledande oxider och övergångsmetallnitrider (nyutvecklade material som har en naturligt förekommande ENZ-punkt i de synliga och nära infraröda våglängdsområdena, såväl som skräddarsydda optiska egenskaper) kan hjälpa till att lösa detta problem.

Även om Boltasseva tror att projektets största inverkan kommer att vara på grundläggande vetenskap, hon tror att det kommer att leda till nya apparapplikationer också.

"Ultrasnabb modulering är ett av de stora problemen inom optik. Det finns alltid en avvägning. Du ändrar antingen saker långsamt på en stor amplitud, eller väldigt snabbt men inom ett litet intervall. Jag hoppas att vi kan bryta denna cykel, "sa hon." Detta kan leda till en mängd olika ultrasnabba optiska enheter för kommunikation och informationsteknik. "