Milestone Photonic Hypercrystal демонстрирует управление взаимодействием света
Теория становится реальностью, поскольку рабочий фотонный гиперкристалл создается исследователями CCNY и Purdue, достигая 20-кратного спонтанного излучения и 100-кратной световой связи.
В 2014 году было теоретизировано, что можно создать структуру, способную манипулировать взаимодействием света внутри материи. Теоретической структуре было дано название фотонного гиперкристалла, что, короче говоря, обладает способностью манипулировать светом и беспрецедентным управлением распространением фотонов.
Фототонные гиперкристаллы. Изображение предоставлено Tal Galfsky через CCNY
За последние несколько лет в этой теоретической идее было проведено значительное количество исследований, и некоторые проекты фактически имели скромные практические приложения. В 2016 году был обнаружен метод, который позволил улучшить излучение света из 2D-материалов с использованием фотонных гиперкристаллов. С тех пор мириады исследователей разрабатывают и перерабатывают фундаментальную структуру фотонного гиперкристалла.
В последнее время исследования, опубликованные в Трудах Национальной академии наук, утверждают, что был создан настоящий фотонный гиперкристалл, который может управлять взаимодействием легкого вещества с очень небольшими ограничениями.
Фоновые материалы, метаматериалы и новая структура
Группа исследователей из Городского колледжа Нью-Йорка и Университета Пердью объединила уникальные свойства фотонных материалов наряду с метаматериалами для создания новой структуры гиперкристалла. Эти два типа материалов особенно важны в оптоэлектронике, но, к сожалению, они полагаются на механизмы, которые работают на частотном резонансе, которые имеют ограниченную работу полосы пропускания и плохое излучение света.
Несколько парадигм двух материалов были нацелены и объединены. На одном конце спектра находятся фотонные кристаллы. Принцип, лежащий в основе этой структуры, аналогичен тому, как полупроводники облегчают электронику. Эти кристаллы используют брэгговское рассеяние световых волн. Это создает запретную зону, которая запрещает прохождение определенных длин волн света. Фотонно-кристаллическая структура способна к различным оптическим явлениям, в частности всенаправленному зеркалированию и торможению спонтанного излучения света.
На другом конце спектра представлены метаматериалы. Это синтетические материалы, состоящие из различных других обычных реагентов, используемых для проявления свойств, которые обычно не встречаются в природных материалах. Эти метаматериалы выполнены в атомном масштабе - больше, чем атом, но меньше, чем длина волны цели, и, по существу, работают на основе структуры, а не отдельных свойств материала. Структура материала основана на точном контроле конкретных периодических схем, которые позволяют материалу эффективно поглощать, усиливать, изгибать и блокировать волны. Соответственно разработанные метаматериалы обладают уникальной способностью управлять электромагнитными волнами (светом), как электрическими, так и магнитными компонентами. Для сравнения, природные материалы обычно способны влиять только на электрический компонент.
Оказание изгибающего света метаматериала. Изображение предоставлено Chemical & Engineering News
В то время как фотонный гиперкристалл обладает той же кристаллической структурой, что и фотонный кристалл и метаматериал, он совсем не похож на своих предшественников. Предыдущие версии отличаются от фотонных кристаллов тем, что повторяющиеся структуры меньше длины волны света и шкалы периода. Они также не имеют зависимого ЭМ-ответа, основанного на поляризации субволновых элементарных ячеек. Эти отличия особенно важны в том смысле, что они решают проблемы относительного охарактеризованного плохого излучения света и ограничений пропускной способности.
Сообщалось, что фотонный гиперкристалл способен одновременно увеличивать световую связь в 100 раз и скорость спонтанного излучения в 20 раз от квантовых точек, закрепленных на гиперкристалле.
Будущие приложения
Хотя это может показаться тривиальным для большинства, приложения в оптике очень широки. Одной из ярких особенностей технологии может стать введение Li-Fi, похожего на Wi-Fi, в том, что оно беспроводным образом передает сигналы с использованием света вместо радиоволн.
В тезисах статьи исследователи утверждают, что «эта платформа для широкополосного управления взаимодействием света и материи будет расширять границы приложений, таких как сверхбыстрые светодиоды, фотовольтаика и квантовая информатика».
Команда продолжит исследования в этом направлении, однако технология требует дальнейших исследований и испытаний. Коммерческие приложения далеки от того, что должны быть спроектированы фотонные устройства, совместимые с гиперкристаллами.