Goedkopere en efficiëntere fotonische apparaten, zoals lasers, optische vezels, en andere lichtbronnen kunnen mogelijk zijn met beperkt licht dat niet wordt beïnvloed door onvolkomenheden in het materiaal dat het opsluit, volgens nieuw onderzoek. Een team van natuurkundigen uit Penn State, de Universiteit van Pittsburgh, en de Universiteit van Illinois hebben in een proof-of-concept-experiment aangetoond dat ze licht op zo'n manier kunnen bevatten dat het zeer ongevoelig is voor defecten die in een materiaal aanwezig kunnen zijn. De resultaten van het onderzoek verschijnen op 4 juni online, 2018 in het journaal Natuurfotonica .

"Fotonische technologie omvat de generatie, overdragen, en manipulatie van licht en het wordt alom gebruikt in alle industrieën, " zei Mikael Rechtsman, de Downsbrough Early Career Assistant Professor of Physics aan Penn State en de leider van het onderzoeksteam. "Het ligt ten grondslag aan het glasvezelnetwerk dat het skelet van internet vormt, zonnecellen die worden gebruikt bij de opwekking van duurzame energie, en krachtige lasers die worden gebruikt in de productie, naast vele andere toepassingen. Het vinden van een manier om licht te beperken en te manipuleren, zodat het ongevoelig is voor defecten, zou een enorme impact kunnen hebben op deze technologie."

Om het licht te beperken, de onderzoekers gebruikten een complexe roosterstructuur bestaande uit "golfgeleiders" die precies in glas waren gesneden. Deze golfgeleiders werken als draden, maar voor licht in plaats van elektriciteit. In deze structuur, licht komt binnen aan het ene uiteinde van de golfgeleider en wordt gevangen en opgesloten terwijl het zich voortplant door de draden. Daar, het ingesloten licht wordt immuun voor onvolkomenheden in de posities van de golfgeleiders, en dus kunnen aanzienlijke onvolkomenheden in de structuur worden getolereerd.

"Het licht wordt ongevoelig door het fenomeen 'topologische bescherming', " zei Rechtsman. "Dit concept is uitgebreid gebruikt in de context van elektronische fysica in vaste toestand. De golfgeleiderstructuur is een fotonisch analoog van de zogenaamde 'topologische kristallijne isolatoren, ' en deze vorm van topologische bescherming kan mogelijk worden gebruikt voor een reeks fotonische apparaten, ook in lasers op nanoschaal, gespecialiseerde niet-lineaire optische vezels, en voor robuuste en nauwkeurige koppeling tussen fotonen en elektronen voor het manipuleren van kwantuminformatie."

Door licht op deze manier te beperken, kunnen veel fotonische apparaten tegelijkertijd goedkoper te produceren en efficiënter worden gemaakt. Verder dan dat, dit is een voorbeeld van het mogelijk multidisciplinaire gebruik van topologische bescherming, waarbij fotonica en vaste-stofelektronica worden verenigd, en het toont de brede toepasbaarheid van dit fenomeen aan buiten de conceptie ervan in de elektronische vaste-stoffysica.

"In de fotonica, het is uiterst belangrijk om licht op te vangen en te beperken tot zeer kleine ruimtes, "zei Rechtsman. "Het comprimeert de maximale hoeveelheid optisch vermogen in het kleinste gebied of volume in een materiaal, waardoor het sterker in wisselwerking staat met het materiaal, en dus is het efficiënter in wat het ook moet doen. Een groot probleem hierbij was dat sterke opsluiting een extreme gevoeligheid met zich meebrengt voor eventuele onvolkomenheden in het materiaal, wat vaak de efficiëntie kan belemmeren of het apparaat erg duur kan maken om te fabriceren. Onze resultaten suggereren dat we deze moeilijkheid kunnen overwinnen."