Bronnen die twee kunstmatige optische materiaalconcepten integreren, kunnen ultrasnelle "Li-Fi" -communicatie aansturen.

In veel toepassingen, Optische Li-Fi-netwerken via de ether bieden in potentie grote voordelen ten opzichte van wifi en andere radiofrequentiesystemen. Li-Fi-netten kunnen met extreem hoge snelheden werken. Ze kunnen een extreem breed spectrum aan frequenties benutten. Ze vermijden de interferentieproblemen die radiofrequentiesystemen teisteren, die vooral problematisch zijn in zwaarbeveiligde omgevingen zoals cockpits van vliegtuigen en kerncentrales. Ze staan ​​minder open voor hackers. En hoewel hun bereik relatief beperkt is, ze hebben geen zichtlijnen nodig om te werken, zei Jevgenii Narimanov, een Purdue University hoogleraar elektrische en computertechniek.

De huidige Li-Fi-netten kunnen al deze potentiële voordelen niet volledig bereiken omdat ze geen geschikte lichtbronnen hebben, hij zei.

Maar ontwerpen die twee optische materiaalconcepten integreren in "fotonische hyperkristallen" kunnen deze leemte opvullen.

Narimanov stelde dit concept voor het eerst voor in 2014. Deze maand hij en collega's van het City College van New York rapporteerden demonstraties van fotonische hyperkristallen met sterk verhoogde lichtemissiesnelheden en -intensiteiten in de Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ).

Fotonische hyperkristallen combineren de eigenschappen van metamaterialen en fotonische kristallen, zowel "kunstmatige" optische materialen met eigenschappen die normaal niet in de natuur voorkomen, zei Narimanov.

Metamaterialen worden gemaakt van kunstmatige bouwstenen die veel kleiner zijn dan de golflengte van licht, terwijl in fotonische kristallen de grootte van de "eenheidscel" vergelijkbaar is met deze golflengte. Hoewel deze twee soorten composietmaterialen over het algemeen zeer verschillende eigenschappen vertonen, de fotonische hyperkristallen combineren ze allemaal binnen dezelfde structuur.

Fotonische hyperkristallen zijn gebaseerd op één type genaamd hyperbolische metamaterialen, die kan worden gebouwd met afwisselende lagen metaal en diëlektrische materialen - waarbij de elektrische stroom alleen langs de metalen lagen kan reizen.

"Over het algemeen, voor licht, metalen en diëlektrica zijn fundamenteel verschillend:licht kan reizen in diëlektrica, maar wordt teruggekaatst door metalen, " zei Narimanov. "Maar een hyperbolisch metamateriaal gedraagt ​​zich als metaal langs de lagen en als een diëlektricum in de richting loodrecht op de lagen, tegelijkertijd. voor licht, hyperbolische media is, daarom, de derde stand van de materie, heel anders dan de gebruikelijke metalen en diëlektrica."

Onder de interessante eigenschappen die deze structuur produceert, het metamateriaal herbergt een groot aantal fotonische toestanden, waardoor spontane lichtemissie met extreem hoge snelheden mogelijk is.

"Voor een lichtbron, het probleem is dat dit licht in het hyperbolische metamateriaal er niet uit kan, ’ zei Narimanov.

Betreed fotonische kristallen - periodieke nanostructuren die optische interferentie kunnen manipuleren om de lichttransmissie te optimaliseren.

In de geïntegreerde fotonische hyperkristallen gepresenteerd in het PNAS-papier, het hyperbolische metamateriaal bestaat uit afwisselende lagen zilver (het metaal) en aluminiumoxide (het diëlektricum). Zeshoekige reeksen van gaten die in de lagen zijn gefreesd, creëren het fotonische kristal. Bij het ontwerp, het zichtbare licht wordt uitgezonden door quantum dots (halfgeleider nanodeeltjes die licht kunnen uitstralen) ingebed in een van de lagen die het hyperbolische metamateriaal vormen.

Het resultaat:extreem hoge mate van controle en verbetering van het uitgestraalde licht.

"Deze fotonische hyperkristallen werden gefabriceerd in het Advanced Science Research Center van de City University of New York met behulp van standaard nano- en microfabricagetechnieken zoals dunnefilmverdamping en gefocusseerde ionenbundelfrezen, " zei Tal Galfsky, een CCNY-afgestudeerde student die hoofdauteur is van het PNAS-papier. "Deze technieken zijn schaalbaar met moderne industriële mogelijkheden."

Vinod Menon, CCNY hoogleraar natuurkunde, is senior auteur op het papier, en CCNY-afgestudeerde student Jie Gu droegen ook bij aan het werk.

Het werk gerapporteerd in PNAS toont aan dat "op een fundamenteel niveau, het probleem van het ontwerpen van fotonische hyperkristallen is opgelost, ’ zei Narimanov.

Hij waarschuwt, echter, dat belangrijke technische uitdagingen moeten worden overwonnen voordat deze apparaten op de markt kunnen worden gebracht. Onder deze barrières, de demonstratietoestellen worden optisch gepompt door een laser, maar commerciële versies zullen elektrisch moeten worden aangedreven en halfgeleider- of organische LED's bevatten, hij zei.

Naarmate ze volwassener worden, fotonische hyperkristallen kunnen ook vele andere veeleisende rollen in ultrasnelle opto-elektronica vervullen. Een van de meest veelbelovende onderzoeksrichtingen, Narimanov suggereerde, is om efficiëntere versies te maken van de enkel-fotonkanonnen die worden gebruikt bij de verwerking van kwantuminformatie.