NIST-teamet riktade ljus in i ett ultratunt lager av kiselnitrid etsat med spår för att skapa ett diffraktionsgitter. Om separationen mellan spåren och ljusets våglängd väljs noggrant, minskar ljusintensiteten mycket långsammare, linjärt snarare än exponentiellt. Kredit:S. Kelley/NIST
Lys med en ficklampa i ett grumligt dammvatten och strålen kommer inte att tränga särskilt långt. Absorption och spridning minskar snabbt ljusstrålens intensitet, som förlorar en fast procentandel energi per enhet tillryggalagd sträcka. Den nedgången - känd som exponentiellt förfall - gäller för ljus som färdas genom någon vätska eller fast substans som lätt absorberar och sprider elektromagnetisk energi.
Men det är inte vad forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) fann när de studerade ett miniatyrljusspridningssystem - ett ultratunt lager av kiselnitrid tillverkat ovanpå ett chip och etsat med en serie tätt åtskilda, periodiska spår. Spåren skapar ett galler – en enhet som sprider olika färger av ljus i olika vinklar – medan kiselnitrid verkar för att begränsa och leda inkommande ljus så långt som möjligt längs gallrets 0,2 centimeter långa längd.
Gallret sprider ljus - det mesta uppåt, vinkelrätt mot enheten - ungefär som dammvatten gör. Och i de flesta av sina experiment observerade NIST-forskarna just det. Ljusets intensitet dämpades exponentiellt och kunde endast belysa de första få av gallrets spår.
Men när NIST-teamet justerade bredden på spåren så att de var nästan lika med avståndet mellan dem, fann forskarna något överraskande. Om de noggrant valde en specifik våglängd av infrarött ljus, minskade ljusets intensitet mycket långsammare när det färdades längs gallret. Intensiteten minskade linjärt med tillryggalagd sträcka snarare än exponentiellt.
Forskarna var lika fascinerade av en egenskap hos det infraröda ljuset som spreds uppåt från gallret. Närhelst ljusintensiteten längs gittret skiftade från exponentiell till linjär nedgång, bildade ljuset som spreds uppåt en bred stråle som hade samma intensitet genomgående. En bred ljusstråle med enhetlig intensitet är ett mycket önskvärt verktyg för många experiment som involverar moln av atomer.
El- och dataingenjören Sangsik Kim hade aldrig sett något liknande. När han första gången observerade det märkliga beteendet i simuleringar som han utförde på NIST våren 2017, oroade han sig och veteranen från NIST-forskaren Vladimir Aksyuk att han hade gjort ett misstag. Men två veckor senare såg Kim samma effekt i laboratorieexperiment med faktiska diffraktionsgitter.
Om våglängden ändrades ens något eller om avståndet mellan spåren endast ändrades med en liten mängd, återgick systemet till exponentiellt förfall.
Det tog NIST-teamet flera år att utveckla en teori som kunde förklara det märkliga fenomenet. Forskarna fann att det har sina rötter i det komplexa samspelet mellan gallrets struktur, ljuset som färdas framåt, ljuset som sprids bakåt av skårorna i gittret och ljuset som sprids uppåt. Vid en kritisk tidpunkt, känd som den exceptionella punkten, konspirerar alla dessa faktorer för att dramatiskt förändra förlusten av ljusenergi, och ändra den från exponentiell till linjär förfall.
Forskarna blev förvånade över att inse att fenomenet de observerade med infrarött ljus är en universell egenskap hos alla typer av vågor som färdas genom en periodisk struktur med förlust, oavsett om vågorna är akustiska, infrarött ljus eller radio.
Fyndet kan göra det möjligt för forskare att överföra ljusstrålar från en chipbaserad enhet till en annan utan att förlora så mycket energi, vilket kan vara en välsignelse för optisk kommunikation. Den breda, enhetliga strålen som skulpteras av den exceptionella punkten är också idealisk för att studera ett moln av atomer. Ljuset får atomerna att hoppa från en energinivå till en annan; dess bredd och enhetliga intensitet gör det möjligt för strålen att undersöka de snabbt rörliga atomerna under en längre tidsperiod. Att exakt mäta frekvensen av ljus som emitteras när atomerna gör sådana övergångar är ett nyckelsteg i att bygga mycket exakta atomklockor och skapa exakta navigationssystem baserade på fångade atomångor.
Mer allmänt, sade Aksyuk, gör den enhetliga ljusstrålen det möjligt att integrera bärbara, chipbaserade fotoniska enheter med storskaliga optiska experiment, vilket minskar deras storlek och komplexitet. När den enhetliga ljusstrålen till exempel sonderar en atomånga, kan informationen skickas tillbaka till fotonchippet och bearbetas där.
Ytterligare en potentiell tillämpning är miljöövervakning. Eftersom omvandlingen från exponentiell till linjär absorption är plötslig och utsökt känslig för den valda ljusvåglängden, kan den utgöra grunden för en högprecisionsdetektor av spårmängder av föroreningar. Om en förorening på ytan ändrar ljusets våglängd i gittret, kommer den exceptionella punkten abrupt att försvinna och ljusintensiteten kommer snabbt att övergå från linjärt till exponentiellt förfall, sa Aksyuk.
Forskarna, inklusive Aksyuk och Kim, som nu är vid Texas Tech University i Lubbock, rapporterade sina resultat online i 21 april-numret av Nature Nanotechnology . + Utforska vidare
