Nanofotonika mijenja pravila manipulacije svjetlošću

U nastojanju da se smanje i poboljšaju tehnologije koje kontroliraju svjetlost, američki istraživači s MIT-a predstavili su novu platformu koja pomiče granice moderne optike putem nanofotonike, manipulacije svjetlošću na nanoskali ili milijarditim dijelovima metra.

Rezultat je klasa ultrakompaktnih optičkih uređaja koji su ne samo manji i učinkovitiji od postojećih tehnologija, već se i dinamički mogu podešavati ili prebacivati iz jednog optičkog načina rada u drugi. Do sada je to bila nedostižna kombinacija u nanofotonici.

Rad objavljen u izdanju časopisa Nature Photonics možete pronaći na ovoj poveznici.

„Ovaj rad označava značajan korak prema budućnosti u kojoj nanofotonski uređaji nisu samo kompaktni i učinkoviti, već i reprogramabilni i prilagodljivi, sposobni dinamički reagirati na vanjske ulaze. Spoj novih kvantnih materijala i etabliranih nanofotonskih arhitektura zasigurno će donijeti napredak u oba područja“, kaže Riccardo Comin, izvanredni profesor fizike na MIT-u i voditelj rada.

Nanofotonika se tradicionalno oslanjala na materijale poput silicija, silicijevog nitrida ili titanijevog dioksida. To su građevni blokovi uređaja koji vode i ograničavaju svjetlost pomoću struktura poput valovoda, rezonatora i fotonskih kristala. Potonji su periodični rasporedi materijala koji kontroliraju način širenja svjetlosti, slično kao što poluvodički kristal utječe na kretanje elektrona.

Iako su vrlo učinkoviti, ovi materijali dolaze s dva glavna ograničenja. Prvo se odnosi na njihove indekse loma. To je mjera koliko snažno materijal interagira sa svjetlošću, odnosno što je indeks loma veći, to materijal više "hvata" ili interagira sa svjetlošću, oštrije je savijajući i više usporavajući. Indeksi loma silicija i drugih tradicionalnih nanofotonskih materijala često su skromni, što ograničava koliko čvrsto se svjetlost može ograničiti i koliko se mali optički uređaji mogu izraditi.

Drugo veliko ograničenje tradicionalnih nanofotonskih materijala je u tome što nakon što je struktura izrađena, njezino optičko ponašanje je u biti fiksno. Obično ne postoji način da se značajno rekonfigurira način na koji reagira na svjetlost bez fizičke promjene.

To su dugogodišnji izazovi koje kromov sulfid bromid (CrSBr) treba riješiti. CrSBr je slojeviti kvantni materijal s rijetkom kombinacijom magnetskog reda i jakog optičkog odziva. Središnji dio njegovih jedinstvenih optičkih svojstava su ekscitoni, kvazičestice koje nastaju kada materijal apsorbira svjetlost i elektron se pobudi, ostavljajući za sobom pozitivno nabijenu "rupu". Elektron i rupa ostaju vezani elektrostatskim privlačenjem, tvoreći vrstu neutralne čestice koja može snažno interagirati sa svjetlošću.

U CrSBr-u, ekscitoni dominiraju optičkim odzivom i vrlo su osjetljivi na magnetska polja, što znači da se njima može manipulirati pomoću vanjskih kontrola.

Zbog ovih eksitona, CrSBr pokazuje iznimno veliki indeks loma koji istraživačima omogućuje oblikovanje materijala za izradu optičkih struktura poput fotonskih kristala koji su i do reda veličine tanji od onih izrađenih od tradicionalnih materijala.

Ključno je da su, primjenom umjerenog magnetskog polja, istraživači MIT-a uspjeli kontinuirano i reverzibilno mijenjati optički način rada. Drugim riječima, pokazali su sposobnost dinamičke promjene načina na koji svjetlost teče kroz nanostrukturu, a sve to bez ikakvih pokretnih dijelova ili promjena temperature.

Zapravo, interakcija između svjetlosti i eksitona u CrSBr-u je toliko jaka da dovodi do stvaranja polaritona, hibridnih čestica svjetlosti i materije koje nasljeđuju svojstva od obje komponente. Ti polaritoni omogućuju nove oblike fotonskog ponašanja, poput poboljšanih nelinearnosti i novih režima kvantnog svjetlosnog transporta. I za razliku od konvencionalnih sustava kojima su potrebne vanjske optičke šupljine za postizanje ovog režima, CrSBr intrinzično podržava polaritone.

Iako ova demonstracija koristi samostalne CrSBr pahuljice, materijal se također može integrirati u postojeće fotonske platforme, kao što su integrirani fotonski sklopovi. To čini CrSBr relevantnim za primjene u stvarnom svijetu, gdje može poslužiti kao podesivi sloj ili komponenta u inače pasivnim uređajima.

Rezultati MIT-a postignuti su na vrlo niskim temperaturama do 132 kelvina (-141.15 °C). Iako je to ispod sobne temperature, postoje uvjerljivi slučajevi upotrebe, poput kvantne simulacije, nelinearne optike i rekonfigurabilnih polaritonskih platformi, gdje bi neusporediva prilagodljivost CrSBr-a mogla opravdati rad u kriogenim okruženjima.

Uz to, tim također istražuje srodne materijale s višim temperaturama magnetskog uređenja kako bi omogućio sličnu funkcionalnost u pristupačnijim uvjetima.