В исследовании, недавно опубликованном в журнале Nature Photonics, ученым удалось манипулировать траекторией и скоростью света внутри материала, используя специально разработанную структуру кремниевого кристалла. Эта инновация может найти применение в таких фотонных устройствах, как лазеры, оптоволокно и светодиодные экраны.
Двумерные материалы, состоящие из одного слоя атомов, очень тонкие и обладают особыми электрическими свойствами. Среди них графен выделяется очень высокой проводимостью, позволяющей электронам свободно перемещаться по его поверхности.
Однако приложение магнитного поля к материалу радикально меняет движение электронов, приводя к появлению особых энергетических уровней, известных как «уровни Ландау». Эти уровни также могут быть вызваны физическими деформациями материала, например растяжением. При растяжении графена взаимодействие между электронами изменяется, влияя на связи и расстояния между атомами углерода (компонентами графена), что снижает проводимость материала.
Вдохновившись этим эффектом деформации в двумерных материалах, ученые попытались воспроизвести аналогичное явление не с электронами, а с фотонами (частицами света). «Мы были вдохновлены поведением электронов в материалах«, — говорит один из ученых в опубликованном пресс-релизе. В своем исследовании команда показывает, что ей удалось целенаправленно манипулировать движением света внутри материала, что позволяет управлять световым пучком на микроскопическом уровне.
Манипулирование светом в фотонном кристалле
Для достижения поставленных целей исследователи из Делфтского университета (Нидерланды) в сотрудничестве с голландским исследовательским центром AMOLF разработали фотонный кристалл. Этот двумерный материал имеет структуру, состоящую из обычных отверстий в слое кремния, что позволяет свету циркулировать так же свободно, как электроны в графене. Внеся определенные изменения в эту структуру, команда смогла управлять движением фотонов.
В различных экспериментах исследователи вызывали деформации в материале, что позволило им точно «манипулировать» светом, добиваясь определенного поведения. Например, они смогли блокировать или перенаправлять свет через материал, используя только эти структурные деформации. Они также создали зоны внутри материала, в которых свет мог свободно циркулировать или быть ограниченным, продемонстрировав точность своего метода манипулирования.
Применение в фотонных технологиях
Этот прорыв демонстрирует способность замедлять или даже останавливать луч света внутри материала. Это должно привести к значительным достижениям в области фотонных технологий. Например, можно будет значительно повысить эффективность и точность лазеров, что будет особенно полезно в медицине.
Другие технологии, такие как светодиодные экраны, оптоволоконные технологии и оптические датчики, также могли бы извлечь выгоду из этой инновации. Однако прежде чем эти приложения станут реальностью, исследователям необходимо углубить понимание поведения манипуляторов. Они считают, что для полного раскрытия потенциала этого открытия необходимы дальнейшие исследования.
