År 1884, en skolmästare och teolog vid namn Edwin Abbott skrev en novell som heter Flatland, som berättar historien om en värld befolkad av känsliga tvådimensionella former. Även om det var tänkt som en satir över stela viktorianska sociala normer, Flatland har länge fascinerat matematiker och fysiker och fungerat som ramar för många tankeexperiment.

Ett sådant tankeexperiment:Hur kan ljuset styras i två dimensioner?

När en ljusvåg är begränsad till ett tvådimensionellt plan av vissa material, det blir något som kallas en polariton - en partikel som suddar skillnaden mellan ljus och materia. Polaritoner har spännande konsekvenser för framtiden för optiska kretsar eftersom, till skillnad från elektroniska integrerade kretsar, integrerad optik är svår att miniatyrisera med vanligt använda material. Polaritoner gör att ljus kan begränsas tätt till nanoskala, även potentiellt till tjockleken på några atomer.

Utmaningen är, alla sätt vi för närvarande har för att styra ljus - linser, vågledare, prisma - är tredimensionella.

"Möjligheten att styra och begränsa ljus med fullt omprogrammerbara optiska kretsar är avgörande för framtida högintegrerade nanofotoniska enheter, "sade Michele Tamagnone, en postdoktor i tillämpad fysik vid Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS).

Nu, Tamagnone och ett team av forskare vid SEAS har utvecklat omskrivbara optiska komponenter för ytljusvågor. Forskningen publicerades i Naturkommunikation .

I tidigare forskning har laget, ledd av Federico Capasso, Robert L. Wallace professor i tillämpad fysik och Vinton Hayes Senior Research Fellow in Electrical Engineering, visat en teknik för att skapa och styra polaritoner genom att fånga ljus i en flaga av sexkantig bornitrid. I den här studien, forskarna lägger dessa flingor på ytan av ett material som kallas GeSbTe (GST)-samma material som används på ytan av omskrivbara CD-skivor och Blu-ray-skivor.

"Den omskrivbara egenskapen för GST med enkla laserpulser möjliggör inspelning, radering och omskrivning av informationsbitar. Med hjälp av den principen, vi skapade linser, prismer och vågledare genom att direkt skriva in dem i materialskiktet, "sa Xinghui Yin, en postdoktor vid SEAS och medförfattare till studien.

Linserna och prismerna på detta material är inte tredimensionella objekt som i vår värld, utan snarare tvådimensionella former, som de skulle vara i Flatland. Istället för att ha en halvklotformad lins, polaritonerna på Flatland-esc-materialet passerar genom en platt halvcirkel av brytande material som fungerar som en lins. Istället för att resa genom ett prisma, de färdas genom en triangel och istället för optiska fibrer, polaritonerna rör sig genom en enkel linje, som leder vågorna längs en fördefinierad väg.

Med hjälp av en teknik som kallas närfältsmikroskopi, vilket möjliggör avbildning av funktioner som är mycket mindre än ljusets våglängd, forskarna kunde se dessa komponenter på jobbet. De visade också för första gången att det är möjligt att radera och skriva om de optiska komponenterna som de skapade.

"Denna forskning kan leda till nya chips för applikationer som kemisk avkänning av en enda molekyl, eftersom polaritonerna i våra omskrivningsbara enheter motsvarar frekvenser i spektrumområdet där molekyler har sina avslöjande absorptionsfingeravtryck, sa Capasso.