Ett brytningsindex på noll inducerar en vågvektor med noll amplitud och odefinierad riktning. Därför, ljus som utbreder sig inuti ett nollindexmedium ackumulerar inte någon rumslig fasförskjutning, vilket resulterar i perfekt rumslig koherens. Sådan sammanhållning ger flera potentiella tillämpningar, inklusive godtyckligt formade vågledare, fas-felmatchningsfri icke-linjär utbredning, storarea singelmodslasrar, och utökad superglans. En lovande plattform för att uppnå dessa applikationer är ett integrerat Dirac-konmaterial som har ett impedansmatchat nollindex. Dock, även om denna plattform eliminerar ohmska förluster via sin rent dielektriska struktur, det medför fortfarande strålningsförlust utanför planet (cirka 1 dB/μm), begränsa tillämpningarna till en liten skala.

Under 2018, Professor Shanhui Fans forskargrupp vid Stanford University designade ett material med låg förlust av Dirac-kon med nollindex baserat på symmetriskyddade bundna tillstånd i kontinuum (BIC). Dock, denna Dirac-kon består av högklassiga lägen, sålunda är det utmanande att homogenisera den fotoniska kristallplattan som ett bulk nollindexmedium.

I en ny tidning publicerad i Ljusvetenskap och tillämpningar , ett team av forskare, ledd av professor Yang Li från institutionen för precisionsinstrument vid Tsinghua University, Kina, Professor Eric Mazur från John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences vid Harvard University, USA, Professor Weiguo Chu från Nanofabrication Laboratory vid National Center for Nanoscience and Technology, Kina, och medarbetare uppnådde en nollindexdesign baserad på en rent dielektrisk fotonisk kristallplatta (PhC-platta). Denna design stöder en oavsiktlig Dirac-kon-degenerering av ett elektriskt monopolläge och ett magnetiskt dipolläge i mitten av Brillouin-zonen. Sådan lågordningslägesbaserad design kan bättre behandlas som ett homogent nollindexmedium.

Deras design består av en kvadratisk uppsättning av kiselpelare inbäddade i kiseldioxidbakgrundsmatris, med en enkel tillverkning med standardplana processer. För att minska strålningsförlusten, de modellerar de övre och nedre gränssnitten på en PhC-platta med nollindex som två delvis reflekterande speglar för att bilda en Fabry-Pérot (FP) hålighet. Sedan, de justerar tjockleken på denna FP-kavitet för att inducera destruktiv interferens av uppåtgående (nedåtgående) strålning i fjärrfältet. Inuti varje pelare, det finns axiellt utbredningsläge(n) med dipolsymmetri som visar en tur och returfas med en heltalsmultipel av 2π, blir därför resonansfångade lägen. Monopolmoden strålar inte i riktning utanför planet på grund av dess inneboende modsymmetri.

"Vår design uppvisar en utbredningsförlust i planet så låg som 0,15 dB/mm vid nollindexvåglängden. Dessutom, brytningsindex är nära noll (|neff| <0,1) över en bandbredd på 4,9 %, " förklarade Tian Dong.

För applikationer, Yueyang Liu förutspår:"våra on-chip BIC Dirac-kon noll-index PhC-plattor ger en oändlig koherenslängd med låg utbredningsförlust. Detta öppnar dörren för tillämpningar av nollindexmaterial med stor area i linjär och olinjär optik såväl som lasrar. Till exempel, elektromagnetisk energi som tunnlar genom en nollindexvågledare med en godtycklig form, icke-linjär ljusgenerering utan fasmissanpassning över en lång interaktionslängd, och lasar över ett stort område i ett enda läge."

"Detta arbete kan också fungera som ett chip-labb för att utforska grundläggande kvantoptik som effektiv generering av intrasslade fotonpar och kollektiv emission av många sändare. Speciellt, eftersom den rumsliga fördelningen av Ez i varje kiselpelare pendlar mellan ett monopolläge och ett dipolläge när tiden går, alla kvantemittera inom pelarna kommer att uppleva samma rumsliga fas i monopolhalvcykeln. Detta lindrar avsevärt utmaningen med exakt positionering av kvantemitter i en fotonisk hålighet, ", tillade Yueyang Liu.