Fem år sedan, Stanford postdoktor Momchil Minkov stötte på ett pussel som han var otålig att lösa. Kärnan i hans fält av olinjär optik är enheter som byter ljus från en färg till en annan - en process som är viktig för många tekniker inom telekommunikation, dator- och laserbaserad utrustning och vetenskap. Men Minkov ville ha en enhet som också fångar båda färgerna av ljus, en komplex bedrift som kan förbättra effektiviteten i denna ljusförändrande process-och han ville att den skulle vara mikroskopisk.

"Jag blev först utsatt för detta problem av Dario Gerace från University of Pavia i Italien, medan jag gjorde min doktorsexamen i Schweiz. Jag försökte arbeta med det då men det är väldigt svårt, "Minkov sa." Det har varit i bakhuvudet sedan dess. Ibland, Jag skulle nämna det för någon inom mitt område och de skulle säga att det var nästan omöjligt. "

För att bevisa att det nästan omöjliga fortfarande var möjligt, Minkov och Shanhui Fan, professor i elektroteknik vid Stanford, utvecklat riktlinjer för att skapa en kristallstruktur med en okonventionell tvådelad form. Detaljerna om deras lösning publicerades 6 augusti Optica , med Gerace som medförfattare. Nu, laget börjar bygga sin teoretiska struktur för experimentell testning.

Ett recept för att begränsa ljuset

Alla som har stött på en grön laserpekare har sett olinjär optik i aktion. Inuti den laserpekaren, en kristallstruktur omvandlar laserljus från infrarött till grönt. (Grönt laserljus är lättare för människor att se, men komponenter för att göra lasrar som bara är gröna är mindre vanliga.) Denna forskning syftar till att genomföra en liknande våglängdshalvande omvandling men i ett mycket mindre utrymme, vilket kan leda till en stor förbättring av energieffektiviteten på grund av komplexa interaktioner mellan ljusstrålarna.

Lagets mål var att tvinga ihop de två laserstrålarnas samexistens med hjälp av en fotonisk kristallhålighet, som kan fokusera ljus i en mikroskopisk volym. Dock, befintliga fotoniska kristallhålrum begränsar vanligtvis bara en våglängd av ljus och deras strukturer är mycket anpassade för att rymma den ena våglängden.

Så istället för att göra en enhetlig struktur för att göra allt, dessa forskare utarbetade en struktur som kombinerar två olika sätt att begränsa ljus, en för att hålla fast det infraröda ljuset och en annan för att hålla den gröna, allt finns fortfarande i en liten kristall.

"Att ha olika metoder för att innehålla varje ljus visade sig vara enklare än att använda en mekanism för både frekvenser och, på något vis, det är helt annorlunda än vad folk trodde att de behövde göra för att uppnå denna prestation, "Sa fan.

Efter att ha strykt ut detaljerna i deras tvådelade struktur, forskarna tog fram en lista med fyra villkor, som bör vägleda kollegor i att bygga en fotonisk kristallhålighet som kan hålla två mycket olika våglängder av ljus. Deras resultat läser mer som ett recept än en schematisk eftersom ljusmanipulerande strukturer är användbara för så många uppgifter och tekniker som design för dem måste vara flexibla.

"Vi har ett allmänt recept som säger, 'Berätta vad ditt material är så berättar jag för dig vilka regler du behöver följa för att få en fotonisk kristallhålighet som är ganska liten och begränsar ljus vid båda frekvenserna, ", Sa Minkov.

Datorer och nyfikenhet

Om telekommunikationskanaler vore en motorväg, att vända mellan olika våglängder av ljus skulle motsvara en snabb filändring för att undvika en avmattning - och en struktur som rymmer flera kanaler innebär en snabbare vändning. Olinjär optik är också viktig för kvantdatorer eftersom beräkningar i dessa datorer är beroende av skapandet av intrasslade partiklar, som kan bildas genom den motsatta processen som sker i Fan -labkristallen - vilket skapar tvinnade röda partiklar av ljus från en grön ljuspartikel.

Att tänka sig möjliga tillämpningar av deras arbete hjälper dessa forskare att välja vad de ska studera. Men de motiveras också av deras önskan om en bra utmaning och den invecklade konstigheten i deras vetenskap.

"I grund och botten, vi arbetar med en plattstruktur med hål och genom att ordna dessa hål, vi kan styra och hålla ljus, "Fan sa." Vi rör på oss och ändrar storlek på dessa små hål med miljardels meter och det markerar skillnaden mellan framgång och misslyckande. Det är väldigt konstigt och oändligt fascinerande. "

Dessa forskare kommer snart att möta dessa invecklingar i labbet, när de börjar bygga sin fotoniska kristallhålighet för experimentell testning.