En metod för att designa material som kan bromsa utbredningen av ljus över ett brett spektrum av våglängder har utvecklats av forskare vid A*STAR Institute of High Performance Computing.

Ljusets hastighet i ett vakuum är alltid konstant - ett grundläggande koncept som gjorts känt av Albert Einstein. Men ljus fortplantar sig långsammare när det kommer in i ett annat medium, såsom glas. Graden till vilken hastigheten reduceras ges av ett materials dielektricitetskonstant - en högre dielektricitetskonstant indikerar långsammare utbredning. Istället för att lita på en begränsad källa av naturliga ämnen, forskare har börjat designa optiska material med ett bredare utbud av fördelaktiga egenskaper inklusive "långsamt" ljus.

Ett tillvägagångssätt är att kombinera två material med olika dielektriska konstanter till en periodisk struktur. Detta kan resultera i egenskaper som dramatiskt skiljer sig från de ingående materialen, speciellt när längdskalan för periodiciteten liknar ljusets våglängd. "Dessa så kallade fotoniska kristaller, när det är lämpligt utformat och under idealiska förhållanden, kan nästan stoppa spridningen av ljus helt, " säger A*STAR-forskaren Gandhi Alagappan.

Kravet på att strukturens periodicitet liknar våglängden av intresse, dock, är en begränsning för praktiska tillämpningar. Det betyder att de flesta av dessa material bara fungerar med ljus av en enda färg. Alagappan och hans medarbetare Jason Ching Png har nu utvecklat ett schema för att designa fotoniska kristaller som fungerar över ett bredare våglängdsområde.

Alagappan och Png ansåg en struktur där två olika material är skiktade ovanpå varandra. För att få två olika periodiciteter, dock, ett tredje material med en dielektrisk konstant mitt emellan de två andra materialen skulle typiskt behövas. Detta gör det svårt att fysiskt skapa strukturen. Forskarna fokuserade istället på att utveckla en matematisk teknik för att kombinera två material på ett sådant sätt att den dielektriska profilen i staplingsriktningen är nästan densamma som i den mer komplicerade trematerialstrukturen (se bild).

Alagappan och Png simulerade de optiska egenskaperna hos deras kombinerade fotoniska kristall. De identifierade ett brett spektrum av våglängder kända som den starka kopplingsregionen som har en hög täthet av långsamma lägen.

"Vi har uppfunnit en linjär optisk flerskalig arkitektur som underlättar skapandet av långsamt bredbandsljus, " säger Alagappan. "Den föreslagna strukturen skulle potentiellt kunna revolutionera nuvarande optiska buffertteknologier."