Ljus är notoriskt snabbt. Dess hastighet är avgörande för snabbt informationsutbyte, men när lätt drar igenom material, dess chanser att interagera och spännande atomer och molekyler kan bli mycket små. Om forskare kan bromsa lätta partiklar, eller fotoner, det skulle öppna dörren till en mängd nya tekniska tillämpningar.

Nu, i en tidning publicerad den 17 augusti, i Naturens nanoteknik , Stanford-forskare demonstrerar ett nytt tillvägagångssätt för långsamt ljus avsevärt, ungefär som en ekokammare håller fast vid ljud, och att styra det efter behag. Forskare i Jennifer Dionnes labb, docent i materialvetenskap och teknik vid Stanford, strukturerade ultratunna kiselchips till nanoskala barer för att fånga ljus i resonans och sedan släppa eller omdirigera det senare. Dessa "högkvalitetsfaktor" eller "hög-Q" resonatorer kan leda till nya sätt att manipulera och använda ljus, inklusive nya applikationer för kvantberäkning, virtuell verklighet och förstärkt verklighet; ljusbaserad WiFi; och till och med upptäckt av virus som SARS-CoV-2.

"Vi försöker i huvudsak fånga ljus i en liten låda som fortfarande låter ljuset komma och gå från många olika håll, " sa postdoktor Mark Lawrence, som också är huvudförfattare till tidningen. "Det är lätt att fånga ljus i en låda med många sidor, men inte så lätt om sidorna är genomskinliga – vilket är fallet med många silikonbaserade applikationer."

Tillverka och tillverka

Innan de kan manipulera ljus, resonatorerna måste tillverkas, och det innebär ett antal utmaningar.

En central komponent i enheten är ett extremt tunt lager av kisel, som fångar ljus mycket effektivt och har låg absorption i det nära-infraröda, spektrumet av ljus som forskarna vill kontrollera. Kislet vilar ovanpå en oblat av transparent material (safir, i det här fallet) som forskarna riktar in en "penna" i ett elektronmikroskop för att etsa deras nanoantennmönster. Mönstret måste ritas så smidigt som möjligt, eftersom dessa antenner fungerar som väggarna i ekokammaranalogin, och ofullkomligheter hämmar ljusfångande förmåga.

"Hög-Q-resonanser kräver skapandet av extremt släta sidoväggar som inte tillåter ljuset att läcka ut, sa Dionne, som också är Senior Associate Vice Provost of Research Platforms/Shared Facilities. "Detta kan uppnås ganska rutinmässigt med strukturer i större mikronskala, men är mycket utmanande med nanostrukturer som sprider ljus mer."

Mönsterdesign spelar en nyckelroll för att skapa nanostrukturerna med hög Q-kvalitet. "På en dator, Jag kan rita ultrasläta linjer och block med vilken geometri som helst, men tillverkningen är begränsad, " sa Lawrence. "I slutändan, vi var tvungna att hitta en design som gav bra ljusfångande prestanda men som låg inom området för befintliga tillverkningsmetoder."

Högkvalitativa (faktor)applikationer

Att pyssla med designen har resulterat i vad Dionne och Lawrence beskriver som en viktig plattformsteknik med många praktiska tillämpningar.

Enheterna visade så kallade kvalitetsfaktorer upp till 2, 500, vilket är två storleksordningar (eller 100 gånger) högre än någon liknande enhet tidigare har uppnått. Kvalitetsfaktorer är ett mått som beskriver resonansbeteende, vilket i detta fall är proportionellt mot ljusets livslängd. "Genom att uppnå kvalitetsfaktorer i tusental, vi är redan i en trevlig sweet spot från några mycket spännande tekniska tillämpningar, sa Dionne.

Till exempel, biosensing. En enda biomolekyl är så liten att den är i princip osynlig. Men att passera ljus över en molekyl hundratals eller tusentals gånger kan avsevärt öka chansen att skapa en detekterbar spridningseffekt.

Dionnes labb arbetar med att tillämpa denna teknik för att detektera COVID-19-antigener – molekyler som utlöser ett immunsvar – och antikroppar – proteiner som produceras av immunsystemet som svar. "Vår teknik skulle ge en optisk avläsning som läkare och läkare är vana vid att se, ", sa Dionne. "Men vi har möjlighet att upptäcka ett enda virus eller mycket låga koncentrationer av en mängd antikroppar på grund av de starka ljus-molekylinteraktionerna." Designen av high-Q nanoresonatorerna gör det också möjligt för varje antenn att fungera oberoende för att upptäcka olika typer av antikroppar samtidigt.

Även om pandemin väckte hennes intresse för virusdetektion, Dionne är också entusiastisk över andra applikationer, såsom LIDAR—eller ljusdetektion och avstånd, som är laserbaserad avståndsmätningsteknik som ofta används i självkörande fordon — som denna nya teknik skulle kunna bidra till. "För några år sedan kunde jag inte föreställa mig de enorma applikationsutrymmen som detta arbete skulle beröra, " sa Dionne. "För mig, det här projektet har förstärkt vikten av grundforskning – man kan inte alltid förutsäga vart grundvetenskapen kommer att ta vägen eller vad den kommer att leda till, men det kan ge kritiska lösningar för framtida utmaningar."

Denna innovation kan också vara användbar inom kvantvetenskap. Till exempel, att dela fotoner för att skapa intrasslade fotoner som förblir sammankopplade på en kvantnivå även när det är långt ifrån varandra skulle vanligtvis kräva stora optiska experiment på bordsskivor med stora dyra exakt polerade kristaller. "Om vi ​​kan göra det, men använd våra nanostrukturer för att styra och forma det intrasslade ljuset, kanske en dag kommer vi att ha en intrasslingsgenerator som du kan hålla i handen, " sa Lawrence. "Med våra resultat, vi är glada över att titta på den nya vetenskapen som är möjlig nu, men också att försöka tänja på gränserna för vad som är möjligt."