AMOLF-forskare, i samarbete med Delfts tekniska universitet, har lyckats få ljusvågor att stanna genom att deformera den tvådimensionella fotoniska kristallen som innehåller dem. Forskarna visar att även en subtil deformation kan ha en betydande effekt på fotoner i kristallen. Detta liknar effekten som ett magnetfält har på elektroner.
"Denna princip erbjuder ett nytt tillvägagångssätt för att bromsa ljusfält och därigenom öka deras styrka. Att realisera detta på ett chip är särskilt viktigt för många applikationer", säger AMOLF-gruppledaren Ewold Verhagen.
Forskarna har publicerat sina resultat i tidskriften Nature Photonics . Samtidigt har ett forskarlag från Pennsylvania State University publicerat en artikel i samma tidskrift om hur de – oberoende av det holländska laget – visade en identisk effekt.
Att manipulera ljusflödet i ett material i liten skala är fördelaktigt för utvecklingen av nanofotoniska chips. För elektroner kan sådan manipulation realiseras med hjälp av magnetfält; Lorentz-kraften styr elektronernas rörelse. Detta är dock omöjligt för fotoner eftersom de inte har laddning.
Forskare i Photonic Forces-gruppen vid AMOLF letar efter tekniker och material som skulle göra det möjligt för dem att applicera krafter på fotoner som liknar effekterna av magnetiska fält.
"Vi letade inspiration till hur elektroner beter sig i material. I en ledare kan elektroner i princip röra sig fritt, men ett externt magnetfält kan stoppa detta. Den cirkulära rörelsen som magnetfältet orsakar stoppar ledning och som sådana kan elektroner finns bara i materialet om de har mycket specifika energier. Dessa energinivåer kallas Landau-nivåer, och de är karakteristiska för elektroner i ett magnetfält, säger Verhagen.
"Men i det tvådimensionella materialet grafen - som består av ett enda lager av kolatomer ordnade i en kristall - kan dessa Landau-nivåer också orsakas av en annan mekanism än ett magnetfält. Generellt sett är grafen en bra elektronisk ledare , men detta ändras när kristalluppsättningen deformeras, till exempel genom att sträcka den som resår.
"Sådan mekanisk deformation stoppar ledning; materialet förvandlas till en isolator och följaktligen binds elektronerna till Landau-nivåer. Därför har deformationen av grafen en liknande effekt på elektroner i ett material som ett magnetfält, även utan en magnet. Vi frågade oss själva om ett liknande tillvägagångssätt också skulle fungera för fotoner."
I ett samarbete med Kobus Kuipers vid Delfts tekniska universitet visade gruppen Verhagen verkligen en liknande effekt för ljus i en fotonisk kristall.
"En fotonisk kristall består normalt av ett regelbundet - tvådimensionellt - mönster av hål i ett kiselskikt. Ljus kan röra sig fritt i detta material, precis som elektroner i grafen", säger första författaren René Barczyk som framgångsrikt försvarade sin doktorsexamen. avhandling om detta ämne 2023. "Att bryta denna regelbundenhet på exakt rätt sätt kommer att deformera arrayen och följaktligen låsa fotonerna. Det är så vi skapar Landau-nivåer för fotoner."
I Landau-nivåerna rör sig inte längre ljusvågor; de rinner inte genom kristallen utan står stilla. Forskarna lyckades visa detta och visade att deformationen av kristallmatrisen har en liknande effekt på fotoner som ett magnetfält på elektroner.
Verhagen säger, "Genom att leka med deformationsmönstret lyckades vi till och med etablera olika typer av effektiva magnetfält i ett material. Som ett resultat kan fotoner röra sig genom vissa delar av materialet men inte i andra. Därför ger dessa insikter också nya sätt att styra ljus på ett chip."
Verhagens och hans teams arbete var inspirerat av teoretiska förutsägelser från forskare vid Pennsylvania State University och Columbia University. Verhagen minns:"När vi gjorde våra första mätningar råkade jag prata med en av författarna till den här andra studien. När det visade sig att de också letade efter experimentella bevis på effekten bestämde vi oss för att inte tävla om att vara först. att publicera men istället att samtidigt överlämna verket till förlaget."
Även om vissa detaljer i tillvägagångssättet skilde sig, kunde båda teamen stoppa ljusvågor från att röra sig och observera Landau-nivåer genom att deformera en tvådimensionell fotonisk kristall.
"Detta för applikationer på chip närmare", säger Verhagen. "Om vi kan begränsa ljuset på nanoskala och stoppa det så här, kommer dess styrka att öka enormt. Och inte bara på en plats, utan över hela kristallytan. Sådan ljuskoncentration är mycket viktig i nanofotoniska enheter, för till exempel för utveckling av effektiva lasrar eller kvantljuskällor."
Mer information: René Barczyk et al, Observation av Landau-nivåer och kirala kanttillstånd i fotoniska kristaller genom pseudomagnetiska fält inducerade av syntetisk spänning, Nature Photonics (2024). DOI:10.1038/s41566-024-01412-3
Journalinformation: Naturfotonik
Tillhandahålls av AMOLF
