Engineering van de stroom van licht

De nieuwe structuur die in de illustratie wordt getoond, is ontworpen om één ding te doen:de vorm van licht veranderen terwijl het wordt getransporteerd. In een recent artikel lieten professor Mercedeh Khajavikhan en haar team zien hoe dit kan worden gedaan door een nieuw theoretisch model te gebruiken dat ingrijpende gevolgen kan hebben voor veel aspecten van ons leven.

Licht kan worden gegenereerd door lasers voor beeldvorming en detectie, door glasvezelkabels lopen voor geavanceerde communicatie en ingebouwd in chips om de computercapaciteit te vergroten tot een niveau waar eerdere generaties niet van hadden kunnen dromen. Hoewel elk van deze vorderingen mogelijk is geëindigd met een nieuw apparaat dat is gebouwd door een mechanische, astronautische, biomedische of computeringenieur, zijn ze begonnen in de fotonica.

Lichtdeeltjes hebben de neiging om als golven te bewegen, en fotonica is de wetenschap om die golven te benutten. Van geavanceerde experimenten met kwantumcommunicatie met verstrengelde fotonen tot alledaagse technologieën zoals smartphoneschermen, LiDAR en glasvezelinternet, fotonica heeft ons leven meer veranderd dan de meeste mensen beseffen. En hoewel het veld al meer dan een eeuw bestaat, verleggen onderzoekers nog steeds nieuwe grenzen.

Een van deze grenzen wordt topologische fotonica genoemd. Het combineert traditionele fotonica met topologische fysica - een veld dat gedeeltelijk werd ontwikkeld door Nobelprijswinnaar en voormalig USC-professor Duncan Haldane. Topologische fysica - de wiskundige studie van vormen en hun rangschikking in de ruimte - is gebruikt om veel interessante eigenschappen in elektronica te verklaren en heeft geleid tot de ontwikkeling van verschillende nieuwe materialen en apparaten. Door nu topologische fysica en fotonica te combineren, kunnen onderzoekers nog creatievere en nooit eerder vertoonde lichtstructuren ontwerpen.

Dus, wat is er zo speciaal aan deze nieuwe structuur en hoe hebben ze het gebouwd? Het team gebruikt eerst topologische fysica om een ​​ontwerp te bedenken dat ze willen onderzoeken. Vervolgens voeren ze simulaties uit om te begrijpen hoe de elementen in de structuur met elkaar moeten interageren. Vervolgens ontwerpen ze de individuele cellen - de kleine bouwstenen die de hele structuur vormen. Zodra het celontwerp is voltooid, moeten ze beslissen hoe ze samen moeten worden gerangschikt om de structuur te vormen. Ten slotte wordt het ontwerp naar een cleanroom van nanofabricage gebracht waar het fysieke product - minder dan 0,25 vierkante millimeter groot - wordt gebouwd. Wat we overhouden is een totaal unieke structuur die licht in een nieuwe vorm vormt wanneer het er doorheen stroomt. Deze nieuwe vorm heeft op zijn beurt nieuwe eigenschappen, zoals een betere laserzuiverheid en een hogere efficiëntie.

Hoe indrukwekkend dat ook is, Khajavikhan en haar team besloten nog verder te gaan. En hier komt die combinatie van natuurkunde en fotonica echt om de hoek kijken. Topologische materialen kunnen verbazingwekkende nieuwe transporteigenschappen vertonen, maar ze kunnen niet gemakkelijk worden geschakeld tussen een "aan" en "uit" toestand. Beschouw deze lichte constructies als een ultramoderne raceauto. Ze kunnen sneller bewegen, harder draaien en meer doen dan hun concurrenten. Maar als je de auto nooit kunt uitschakelen als je de motor eenmaal hebt gestart, is het geen erg praktisch apparaat.

Dat is precies wat het USC-team kon doen:dit nieuwe licht besturen. Ze introduceerden een techniek uit fotonische systemen die "optisch pompen" wordt genoemd om de topologische eigenschappen van de structuur de mogelijkheid te geven om aan en uit te schakelen. Het vermogen om niet alleen de vorm van licht te controleren, maar ook wanneer en hoe het door een systeem stroomt, is van het grootste belang.

Voor de onderzoekers is het werk aan deze nieuwe structuur nog maar het begin. "Onze bevindingen openen volledig nieuwe wegen om topologische systemen te bestuderen en we zijn van plan meer ontwerpen te ontwikkelen die het gezicht van een hele reeks industrieën kunnen veranderen, zoals holografische schermen en krachtige lasers," zei Khajavikhan.