Revolutionair lichttransport: Nieuw model baant weg voor geavanceerde optica

De nieuwe structuur in de illustratie is ontworpen met één doel: de vorm van licht veranderen tijdens het transport. In een recent artikel toonden professor Mercedeh Khajavikhan en haar team aan hoe dit kan met een nieuw theoretisch model dat diepgaande implicaties kan hebben voor veel aspecten van ons leven.

De kracht van fotonica

Licht kan gegenereerd worden door lasers voor imaging en sensing, via glasvezelkabels voor geavanceerde communicatie, en geïntegreerd in chips om rekenkracht te vergroten tot een niveau dat eerdere generaties niet konden bedenken. Hoewel elke vooruitgang kan eindigen in een nieuw apparaat gebouwd door een mechanische, astronautische, biomedische of computerengineer, begonnen ze allemaal in de fotonica.

Lichtdeeltjes bewegen zich als golven, en fotonica is de wetenschap van het benutten van die golven. Van pioniersproeven in kwantumcommunicatie met verstrengelde fotonen, tot alledaagse technologieën als smartphoneschermen, LiDAR en glasvezelinternet: fotonica heeft ons leven meer veranderd dan de meeste mensen beseffen. En ondanks dat het veld al meer dan een eeuw bestaat, duwen onderzoekers nog steeds door naar nieuwe grenzen.

Topologische fotonica: een nieuwe grens

Een van deze grenzen heet topologische fotonica. Het combineert traditionele fotonica met topologische fysica — een veld dat deels wordt gepioneerd door Nobelprijswinnaar en voormalig USC-professor Duncan Haldane. Topologische fysica — de wiskundige bestudering van vormen en hun ordening in de ruimte — is gebruikt om veel interessante eigenschappen in elektronica te verklaren en heeft geleid tot de ontwikkeling van diverse nieuwe materialen en apparaten. Nu, door topologische fysica en fotonica te combineren, kunnen onderzoekers nog creatiefere en nooit-zien lichtstructuren ontwerpen.

Hoe de unieke structuur gebouwd wordt

Wat maakt deze nieuwe structuur zo bijzonder en hoe is hij gemaakt? Het team gebruikt eerst topologische fysica om een ontwerp te bedenken dat ze willen verkennen. Vervolgens voeren ze simulaties uit om te begrijpen hoe de elementen in de structuur met elkaar moeten interageren. Daarna ontwerpen ze de individuele cellen — de kleine bouwstenen die de hele structuur vormen. Zodra het celontwerp compleet is, beslissen ze hoe deze samen gerangschikt moeten worden. Ten slotte wordt het ontwerp naar een nanofabricatie-schoonruimte gebracht waar het fysieke product — kleiner dan 0,25 vierkante millimeter — wordt gebouwd. Wat overblijft is een totaal unieke structuur die licht in een nieuwe vorm giet als het doorstroomt. Deze nieuwe vorm heeft op zijn beurt nieuwe eigenschappen, zoals betere laserzuiverheid en hogere efficiëntie.

Controle over het licht: van 'aan' naar 'uit'

Zo indrukwekkend dit ook is, Khajavikhan en haar team wilden nog verder gaan. Hier speelt de combinatie van fysica en fotonica echt zijn rol. Topologische materialen kunnen verbluffende nieuwe transporteigenschappen vertonen, maar kunnen niet gemakkelijk geschakeld worden tussen een 'aan'- en 'uit'-toestand. Vergelijk deze lichtstructuren met een ultramoderne raceauto. Ze kunnen sneller rijden, harder bochten maken en meer dan de concurrentie. Maar als je de auto niet meer kunt uitschakelen zodra de motor draait, is het geen heel praktische machine.

Precies dat is het USC-team gelukt: controle over dit nieuwe licht. Ze introduceerden een techniek uit fotonische systemen genaamd 'optische pomping' om de topologische eigenschappen van de structuur de mogelijkheid te geven om aan en uit te gaan. De mogelijkheid om niet alleen de vorm van het licht te controleren, maar ook wanneer en hoe het door een systeem stroomt, is van het grootste belang.

Toekomstperspectieven

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 plannen meer ontwerpen te ontwerpen die het gezicht van een hele reeks industrieën kunnen veranderen, zoals holografische schermen en lasers met hoog vermogen," aldus Khajavikhan.