Fotoniska kristaller förutspås vara ett av 2000-talets underverk. På 1900-talet, ny förståelse för den elektroniska bandstrukturen - fysiken som avgör när ett fast ämne leder eller isolerar - revolutionerade världen. Samma fysik, när den appliceras på fotoniska kristaller, tillåter oss att styra ljus på ett liknande sätt som hur vi styr elektroner. Om fotoniska kristaller lever upp till sitt löfte, helt optiska transistorer som förbrukar lite ström och möjliggör ännu mer kraftfulla datorer kan bli verklighet.

Men, den destinationen är inte i sikte än. Problemet är kontroll. Vi har utsökt kontroll över tillverkningen av elektroniska integrerade kretsar, och halvledare och elektroner är väldigt flexibla - om du vill ändra energin hos en elektron, lägg bara på en spänning.

Att kontrollera tillverkningen av fotoniska kristaller är svårare. Varje liten struktur måste tillverkas och exakt replikeras och placeras. En gång gjort, en fotonisk kristall är oföränderlig, vilket gör den väldigt oflexibel. Likaså, fotonenergier kan inte ändras lika effektivt som elektronenergier. Resultatet är, om fotoniska kristaller är framtidens datorer, vi måste lära oss hur man gör dem på ett sätt som gör att de kan modifieras i farten.

Ripplade vätskefilmer som metasytor

I en ny Avancerad fotonik papper, Shimon Rubin och Yeshaiahu Fainman från University of California San Diego har visat hur det kan vara möjligt att skapa en flexibel men hållbar fotonisk kristall från en vätska. De utförde en serie beräkningar för att förutsäga bildandet och prestandan av en fotonisk kristall baserad på mycket lokal uppvärmning i flytande tunna filmer.

Vätskor anses i allmänhet inte vara ett bra val för en fotonisk kristall eftersom vätskor inte har en fast struktur. De optiska egenskaperna hos en fotonisk kristall beror på att ljuset kan reflektera miljontals exakt placerade strukturer. Men vätskor ebbar och flyter, så att strukturer snabbt tvättas bort.

Dock, Rubin och Fainman noterade att vid gränsytan mellan en tunn flytande film och ett fast ämne eller gas, samspelet mellan vätskans ytspänning och den lokala temperaturen kan skapa en liten struktur (t.ex. vätskan hopar sig för att skapa en liten kulle). Dock, det var inte känt om strukturerna var tillräckligt betydande för att fungera som en metayta (en typ av fotonisk kristall) och modifiera ljusutbredning.

Forskarna undersökte flera arrangemang av flytande filmer som lätt tillåter ljus att styras (åtminstone delvis) i vätskan. För att få en struktur, forskarna övervägde hur ljusabsorption kan värma vätskan. Genom att använda ljusvågor som korsar varandra i olika vinklar inuti filmen, ett mönster av ljusa och mörka fläckar skapas - detta mönster kallas ett stående vågmönster. Vätskan absorberar bara energi från de ljusa fläckarna, därav, vätskan värms bara upp på mycket specifika platser.

Flexibla vätskor

Forskarna använde vätskans optiska och termiska egenskaper, kombinerat med vätskedynamiska ekvationer och ljusutbredning för att beräkna värmen som absorberas av vätskan, och hur det skulle få den att deformeras lokalt. Forskarna visade att periodiska arrangemang av kullar och dalar i vätskefilmen kunde erhållas genom att korsa mellan två och fyra ljusvågor. Två ljusvågor skapar linjer av kullar och dalar, tre ljusvågor skapar hexagonala arrangemang av kullar och dal, medan fyra ljusstrålar skapar ett schackbrädesarrangemang. Optiska egenskaper beräknades sedan från dessa rumsliga arrangemang.

För att visa användbarheten av deras föreslagna metayta, forskarna beräknade tröskeln för en laser. Om ett förstärkningsmedium som ett färgämne läggs till vätskan, den periodiska deformationen av vätskan som beskrivs ovan kan leda till bildning av resonatorer, kan stödja lasringslägen. Modifiering av symmetrin hos den fotoniska flytande kristallen möjliggör sedan kontroll av frekvensen och emissionsriktningen för lasermoden.

Flytande fotoniska kristaller verkar ha några mycket fina egenskaper. Eftersom ljus används för att skapa mönstret i vätska, mönstret bildas naturligt och utan fel. Och, mönstret kan ändras i farten genom att ändra vinkeln mellan ljusvågor, eller våglängden på ljuset som används för att skapa mönstret. Även rörliga mönster kan skapas genom att modulera en av ljusvågorna. Denna inneboende flexibilitet bör möjliggöra många intressanta tillämpningar inom, till exempel, beräkning och hälsovård. Dock, framgången för detta tillvägagångssätt kommer att bero på en fysisk demonstration av det grundläggande konceptet.