År 2015, forskare vid Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) utvecklade det första metamaterialet på chip med ett brytningsindex på noll, vilket betyder att ljusets fas skulle kunna sträckas oändligt lång. Metamaterialet representerade en ny metod för att manipulera ljus och var ett viktigt steg framåt för integrerade fotoniska kretsar, som använder ljus snarare än elektroner för att utföra en mängd olika funktioner.

Nu, SEAS -forskare har drivit den tekniken ytterligare - utvecklat en vågledare med nollindex som är kompatibel med nuvarande kisel fotonisk teknik. Genom att göra så, teamet observerade ett fysiskt fenomen som vanligtvis inte kan observeras - en stående ljusvåg.

Forskningen publiceras i ACS Photonics . Harvard Office of Technology Development har lämnat in en patentansökan och undersöker kommersialiseringsmöjligheter.

När en våglängd av ljus rör sig genom ett material, dess toppar och tråg blir kondenserade eller sträckta, beroende på materialets egenskaper. Hur mycket topparna i en ljusvåg kondenseras uttrycks som ett förhållande som kallas brytningsindex - ju högre index, desto mer pressad våglängd.

När brytningsindexet reduceras till noll fungerar ljuset inte längre som en våg i rörelse, färdas genom rymden i en serie toppar och dalar, annars känd som faser. Istället, vågen är sträckt oändligt lång, skapa en konstant fas. Fasen oscillerar endast som en variabel av tid, inte utrymme.

Detta är spännande för integrerad fotonik eftersom de flesta optiska enheter använder interaktioner mellan två eller flera vågor, som måste sprida sig synkroniserade när de rör sig genom kretsen. Om våglängden är oändligt lång, att matcha fasen av ljusets våglängder är inget problem, eftersom de optiska fälten är desamma överallt.

Men efter det första genombrottet 2015, forskargruppen stötte på en fångst-22. Eftersom laget använde prismor för att testa om ljuset på chipet verkligen var oändligt sträckt, alla enheter byggdes i form av ett prisma. Men prisma är inte särskilt användbara former för integrerade kretsar. Teamet ville utveckla en enhet som kunde anslutas direkt till befintliga fotoniska kretsar och för det, den mest användbara formen är en rak tråd eller vågledare.

Forskarna - ledd av Eric Mazur, Balkanski -professorn i fysik - byggde en vågledare men, utan hjälp av ett prisma, hade inget enkelt sätt att bevisa om det hade ett brytningsindex på noll.

Sedan, postdoktorer Orad Reshef och Philip Camayd-Muñoz hade en idé.

Vanligtvis, en våglängd av ljus är för liten och oscillerar för snabbt för att mäta allt annat än ett genomsnitt. Det enda sättet att faktiskt se en våglängd är att kombinera två vågor för att skapa störningar.

Föreställ dig strängar på en gitarr, fäst på båda sidor. När en sträng plockas, vågen rör sig genom strängen, träffar stiftet på andra sidan och reflekteras tillbaka - skapar två vågor som rör sig i motsatta riktningar med samma frekvens. Denna typ av störningar kallas en stående våg.

Reshef och Camayd-Muñoz tillämpade samma idé på ljuset i vågledaren. De "fästade" ljuset genom att lysa strålar i motsatta riktningar genom enheten för att skapa en stående våg. De enskilda vågorna pendlade fortfarande snabbt men de pendlade med samma frekvens i motsatta riktningar, vilket innebär att de vid vissa punkter avbröt varandra och andra punkter som de lade ihop, skapa ett helt eller helt mörkt mönster. Och, på grund av nollindexmaterialet, laget kunde sträcka ut våglängden tillräckligt stor för att se.

Detta kan vara första gången en stående våg med oändligt långa våglängder någonsin har setts.

"Vi kunde observera en hisnande demonstration av ett index på noll, sa Reshef, som nyligen accepterade en tjänst vid University of Ottawa. "Genom att sprida sig genom ett medium med ett så lågt index, dessa vågfunktioner, som i ljuset vanligtvis är för små för att detekteras direkt, utökas så att du kan se dem med ett vanligt mikroskop. "

"Detta lägger till ett viktigt verktyg i verktygslådan för kiselfotonik, "sa Camayd-Muñoz." Det finns exotisk fysik i nollindexregimen, och nu tar vi det till integrerad fotonik. Det är ett viktigt steg, eftersom det betyder att vi kan ansluta direkt till konventionella optiska enheter, och hitta verkliga användningsområden för nollindexfenomen. I framtiden, kvantdatorer kan vara baserade på nätverk av exciterade atomer som kommunicerar via fotoner. Atomernas interaktionsintervall är ungefär lika med ljusets våglängd. Genom att göra våglängden stor, vi kan möjliggöra långdistansinteraktioner för att skala upp kvantanordningar. "