Ingenieurs van de Universiteit van Californië in San Diego hebben een materiaal ontwikkeld dat signaalverliezen in fotonische apparaten kan verminderen. De vooruitgang heeft het potentieel om de efficiëntie van verschillende op licht gebaseerde technologieën te verhogen, waaronder glasvezelcommunicatiesystemen, lasers en fotovoltaïsche installaties.

De ontdekking pakt een van de grootste uitdagingen op het gebied van fotonica aan:het minimaliseren van verlies van optische (op licht gebaseerde) signalen in apparaten die bekend staan ​​als plasmonische metamaterialen.

Plasmonische metamaterialen zijn materialen die op nanoschaal zijn ontwikkeld om licht op ongebruikelijke manieren te beheersen. Ze kunnen worden gebruikt om exotische apparaten te ontwikkelen, variërend van onzichtbaarheidsmantels tot kwantumcomputers. Maar een probleem met metamaterialen is dat ze meestal metalen bevatten die energie uit licht absorberen en omzetten in warmte. Als resultaat, een deel van het optische signaal wordt verspild, het verlagen van de efficiëntie.

In een recente studie gepubliceerd in Natuurcommunicatie , een team van fotonica-onderzoekers onder leiding van professor elektrotechniek Shaya Fainman aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering demonstreerde een manier om deze verliezen goed te maken door in het metamateriaal iets op te nemen dat licht uitstraalt - een halfgeleider.

"We compenseren het verlies dat door het metaal wordt veroorzaakt met winst van de halfgeleider. Deze combinatie zou theoretisch kunnen resulteren in nul netto-absorptie van het signaal - een 'verliesloos' metamateriaal, " zei Joseph Smalley, een postdoctoraal onderzoeker in de elektrotechniek in de groep van Fainman en de eerste auteur van de studie.

In hun experimenten, de onderzoekers schenen licht van een infraroodlaser op het metamateriaal. Ze ontdekten dat afhankelijk van de manier waarop het licht is gepolariseerd - in welk vlak of in welke richting (op en neer, van links naar rechts) alle lichtgolven zijn ingesteld om te trillen - het metamateriaal reflecteert of straalt licht uit.

"Dit is het eerste materiaal dat zich tegelijkertijd gedraagt ​​als metaal en halfgeleider. Als licht in één richting wordt gepolariseerd, het metamateriaal reflecteert licht als een metaal, en wanneer licht de andere kant op wordt gepolariseerd, het metamateriaal absorbeert en straalt licht van een andere 'kleur' ​​uit zoals een halfgeleider, ' zei Smalley.

Onderzoekers creëerden het nieuwe metamateriaal door eerst een kristal van het halfgeleidermateriaal te laten groeien, genaamd indium gallium arsenide fosfide, op een ondergrond. Vervolgens gebruikten ze hoogenergetische ionen uit plasma om smalle greppels in de halfgeleider te etsen. het creëren van 40 nanometer brede rijen halfgeleiders op een onderlinge afstand van 40 nanometer. Eindelijk, ze vulden de greppels met zilver om een ​​patroon te creëren van afwisselende strepen van halfgeleiders en zilver van nanoformaat.

"Dit is een unieke manier om dit soort metamateriaal te fabriceren, " zei Smalley. Nanostructuren met verschillende lagen worden vaak gemaakt door elke laag afzonderlijk op elkaar te deponeren, "als een stapel papieren op een bureau, " legde Smalley uit. Maar het halfgeleidermateriaal dat in dit onderzoek is gebruikt (indium gallium arsenide fosfide) kan niet zomaar op een substraat (zoals zilver) worden gekweekt, anders zal het gebreken hebben. "In plaats van een stapel afwisselende lagen te creëren, we hebben een manier bedacht om de materialen naast elkaar te rangschikken, als mappen in een archiefkast, het halfgeleidermateriaal defectvrij houden."

Als volgende stap, het team is van plan te onderzoeken in hoeverre dit metamateriaal en andere versies ervan fotonische toepassingen kunnen verbeteren die momenteel last hebben van signaalverliezen.