Billigare och effektivare fotoniska enheter, som lasrar, optiska fibrer, och andra ljuskällor kan vara möjliga med begränsat ljus som inte påverkas av brister i materialet som begränsar det, enligt ny forskning. Ett team av fysiker från Penn State, University of Pittsburgh, och University of Illinois har visat i ett proof-of-concept-experiment att de kan innehålla ljus på ett sådant sätt att det är mycket okänsligt för defekter som kan finnas i ett material. Resultaten av forskningen visas online den 4 juni, 2018 i tidningen Nature Photonics .

"Fotonisk teknik involverar generationen, överföring, och manipulation av ljus och det används överallt i branscher, "sa Mikael Rechtsman, Downsbrough Early Career Assistant Professor i fysik vid Penn State och ledare för forskargruppen. "Det ligger till grund för det fiberoptiska nätverk som bildar skelettet på internet, solceller som används för att skapa hållbar energi, och högeffektslasrar som används vid tillverkning, bland många andra applikationer. Att hitta ett sätt att begränsa och manipulera ljus så att det är okänsligt för defekter kan ha en enorm inverkan på denna teknik. "

För att begränsa ljuset, forskarna använde en komplex gitterstruktur bestående av "vågledare" exakt huggen i glas. Dessa vågledare fungerar som trådar, men för ljus istället för el. I denna struktur, ljus kommer in i ena änden av vågledaren och fastnar och stängs när det sprider sig framåt genom trådarna. Där, det fångade ljuset blir immun mot brister i vågledarnas positioner, och därmed kan betydande brister i strukturen tolereras.

"Ljuset blir okänsligt på grund av fenomenet" topologiskt skydd ", "sa Rechtsman." Detta begrepp har använts i stor utsträckning i samband med elektronik i fast tillstånd. Vågledarstrukturen är en fotonisk analog av de så kallade 'topologiska kristallina isolatorerna, 'och denna form av topologiskt skydd kan eventuellt användas över en rad fotoniska enheter, inklusive i nanoskala lasrar, specialiserade olinjära optiska fibrer, och för robust och exakt koppling mellan fotoner och elektroner för att manipulera kvantinformation. "

Att begränsa ljus på detta sätt kan göra många fotoniska enheter samtidigt billigare att producera och mer effektiva. Bortom det, detta är ett exempel på den potentiellt tvärvetenskapliga-förenande fotoniken och elektronik i fast tillstånd-av topologiskt skydd och visar detta fenomens breda tillämpning bortom dess uppfattning i elektronisk solid-state fysik.

"I fotonik, det är oerhört viktigt att kunna fånga ljus och begränsa det till mycket små utrymmen, "sa Rechtsman." Det komprimerar den maximala mängden optisk effekt till det minsta området eller volymen inuti ett material, gör att det interagerar starkare med materialet, och därmed är det mer effektivt på vad det än är avsett att göra. En stor svårighet med att göra detta har varit att stark inneslutning medför extrem känslighet för eventuella brister i materialet, som ofta antingen kan hämma effektiviteten eller göra enheten mycket dyr att tillverka. Våra resultat tyder på att vi kan övervinna denna svårighet. "