Ett miniatyrfängelse för fotoner - det är nanokaviteten som upptäcktes av forskare vid University of Twente. Det är en extremt liten hålighet omgiven av en optisk kristall, en struktur av porer etsade i två vinkelräta riktningar. Att begränsa fotoner i denna 3D-hålighet kan leda till små och effektiva lasrar och lysdioder, lagring av information eller ultrakänsliga ljussensorer. Resultaten publiceras i Fysisk granskning B , en av tidskrifterna i American Physical Society.

Tekniker för att fånga ljus är grundläggande för fotonik. En välkänd hålighet består av två speglar mellan vilka en stående våg kommer att bildas av en viss ljusfärg, beroende på avståndet mellan speglarna. Detta är arbetsprincipen för en laser. Men ljus som läcker i sidled kommer aldrig att reflekteras igen. Är det möjligt att fånga en foton inne i en tredimensionell "fängelsecell" omgiven av speglar? Det är det sannerligen, UT -forskarna visar nu. Speglarna, I detta fall, bildas av en tredimensionell fotonisk kristall, bestående av porer som har etsats djupt in i kisel i två riktningar, vinkelrätt mot varandra.

Fotonskristall är kända för sina mycket speciella ljusegenskaper. Strukturen och periodiciteten hos porerna tillåter endast ljus av vissa våglängder att sprida sig inuti kristallen. Men hur skapar man en hålighet för att fånga en foton i en sådan struktur? I deras nya tidning, UT -forskarna visar att detta är möjligt genom att medvetet ändra diametern på två porer. Vid deras övergångspunkt, en oregelbundenhet eller defekt bildas inuti kristallen. Denna lilla hålighet är omgiven av den periodiska kristallstrukturen, tvingar tillbaka fotonen in i hålrummet. Det finns helt enkelt ingen flykt. "Våra beräkningar visar att i denna lilla volym i hålrummet, den optiska energin förbättras med upp till 2, 400 gånger jämfört med kristallens utsida. Detta är en mycket stor förbättring, med tanke på de små dimensionerna, "säger Dr Devashish, huvudförfattaren till tidningen.

Lättvikt

Genom att ändra den periodiska strukturen lokalt, kristallen visar också avsevärd absorption av synligt ljus, upp till tio gånger absorptionen av bulk kisel. "Denna starka absorption, i en mycket liten volym, är en bra egenskap för nya sensorer. Tack vare den höga densiteten av porer, kristallen är mycket lätt - vi kallar det också för "hålighet" ", Prof Willem Vos säger. Han är gruppledare för komplexa fotoniksystem vid UT:s MESA+ -institut.

I tidigare publikationer, gruppen visade att diamantliknande fotoniska kristaller kan reflektera ett mycket brett spektrum av ljusfärger för alla vinklar:dessa resultat ledde till den nya upptäckten som nu presenteras. Under de kommande generationerna av fotoniska integrerade kretsar (PIC), nanokaviteterna förväntas spela en stor roll i behandlingen av optiska signaler, i informationslagring eller kvantfotoniska enheter.

Forskningen gjordes av gruppen Complex Photonic Systems, tillsammans med gruppen Mathematics of Computational Science, båda UT:s MESA+ -institut.

Papperet "Tredimensionellt fotoniskt bandhålrum med ändligt stöd:förbättrad energitäthet och optisk absorption" dök upp i Fysisk granskning B , Utgåva från februari 2019.