in 2015, onderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ontwikkelden het eerste on-chip metamateriaal met een brekingsindex van nul, wat betekent dat de fase van het licht oneindig lang kan worden uitgerekt. Het metamateriaal vertegenwoordigde een nieuwe methode om licht te manipuleren en was een belangrijke stap voorwaarts voor geïntegreerde fotonische circuits, die licht gebruiken in plaats van elektronen om een ​​breed scala aan functies uit te voeren.

Nutsvoorzieningen, SEAS-onderzoekers hebben die technologie verder ontwikkeld door een golfgeleider met nulindex te ontwikkelen die compatibel is met de huidige siliciumfotonische technologieën. Daarbij, het team observeerde een fysiek fenomeen dat meestal niet waarneembaar is:een staande lichtgolf.

Het onderzoek is gepubliceerd in ACS Fotonica . Het Harvard Office of Technology Development heeft een octrooiaanvraag ingediend en onderzoekt de mogelijkheden voor commercialisering.

Wanneer een golflengte van licht door een materiaal beweegt, zijn toppen en dalen worden verdicht of uitgerekt, afhankelijk van de eigenschappen van het materiaal. Hoeveel de toppen van een lichtgolf zijn gecondenseerd, wordt uitgedrukt als een verhouding die de brekingsindex wordt genoemd - hoe hoger de index, hoe meer geplet de golflengte.

Wanneer de brekingsindex tot nul wordt teruggebracht, gedraagt ​​​​het licht zich niet langer als een bewegende golf, reizen door de ruimte in een reeks van toppen en dalen, ook wel bekend als fasen. In plaats daarvan, de golf is oneindig lang uitgerekt, het creëren van een constante fase. De fase oscilleert alleen als een variabele van tijd, geen ruimte.

Dit is opwindend voor geïntegreerde fotonica omdat de meeste optische apparaten interacties tussen twee of meer golven gebruiken, die zich synchroon moeten voortplanten terwijl ze door het circuit bewegen. Als de golflengte oneindig lang is, het afstemmen van de fase van de golflengten van licht is geen probleem, omdat de optische velden overal hetzelfde zijn.

Maar na de eerste doorbraak in 2015 het onderzoeksteam liep in een catch-22. Omdat het team prisma's gebruikte om te testen of het licht op de chip inderdaad oneindig werd uitgerekt, alle apparaten werden gebouwd in de vorm van een prisma. Maar prisma's zijn geen bijzonder bruikbare vormen voor geïntegreerde schakelingen. Het team wilde een apparaat ontwikkelen dat rechtstreeks op bestaande fotonische circuits kon worden aangesloten en daarvoor, de meest bruikbare vorm is een rechte draad of golfgeleider.

De onderzoekers - onder leiding van Eric Mazur, de Balkanski-hoogleraar natuurkunde - bouwde een golfgeleider, maar, zonder de hulp van een prisma, had geen gemakkelijke manier om te bewijzen of het een brekingsindex van nul had.

Vervolgens, postdoctorale fellows Orad Reshef en Philip Camayd-Muñoz hadden een idee.

Gebruikelijk, een golflengte van licht is te klein en oscilleert te snel om iets anders te meten dan een gemiddelde. De enige manier om een ​​golflengte daadwerkelijk te zien, is door twee golven te combineren om interferentie te creëren.

Stel je snaren voor op een gitaar, aan weerszijden vastgezet. Als er aan een snaar wordt geplukt, de golf reist door de snaar, raakt de pin aan de andere kant en wordt teruggekaatst, waardoor twee golven ontstaan ​​die met dezelfde frequentie in tegengestelde richtingen bewegen. Dit soort interferentie wordt een staande golf genoemd.

Reshef en Camayd-Muñoz pasten hetzelfde idee toe op het licht in de golfgeleider. Ze 'vastgepind' het licht door stralen in tegengestelde richtingen door het apparaat te laten schijnen om een ​​staande golf te creëren. De individuele golven oscilleerden nog steeds snel, maar ze oscilleerden met dezelfde frequentie in tegengestelde richtingen, wat betekent dat ze op bepaalde punten elkaar opwogen en andere punten die ze bij elkaar optelden, het creëren van een geheel licht of geheel donker patroon. En, vanwege het materiaal met de nulindex, het team was in staat om de golflengte groot genoeg uit te rekken om te zien.

Dit is misschien de eerste keer dat een staande golf met oneindig lange golflengten ooit is gezien.

"We waren in staat om een ​​adembenemende demonstratie van een index van nul te observeren, " zei Reshef, die onlangs een functie aanvaardde aan de Universiteit van Ottawa. "Door zich voort te planten via een medium met zo'n lage index, deze golfkenmerken, die in het licht meestal te klein zijn om direct te detecteren, worden vergroot zodat je ze met een gewone microscoop kunt zien."

"Dit voegt een belangrijk hulpmiddel toe aan de gereedschapskist van siliciumfotonica, " zei Camayd-Muñoz. "Er is exotische fysica in het nul-indexregime, en nu brengen we dat naar geïntegreerde fotonica. Dat is een belangrijke stap, omdat het betekent dat we direct kunnen aansluiten op conventionele optische apparaten, en vind echte toepassingen voor nul-indexverschijnselen. In de toekomst, kwantumcomputers kunnen gebaseerd zijn op netwerken van aangeslagen atomen die communiceren via fotonen. Het interactiebereik van de atomen is ongeveer gelijk aan de golflengte van licht. Door de golflengte groot te maken, we kunnen interacties op lange afstand mogelijk maken om kwantumapparaten op te schalen."