Vijf jaar geleden, Momchil Minkov, postdoctoraal geleerde aan Stanford, stuitte op een puzzel die hij met ongeduld wilde oplossen. De kern van zijn vakgebied van niet-lineaire optica zijn apparaten die licht van de ene kleur in de andere veranderen - een proces dat belangrijk is voor veel technologieën binnen de telecommunicatie, computer- en laserapparatuur en wetenschap. Maar Minkov wilde een apparaat dat ook beide kleuren licht vangt, een complexe prestatie die de efficiëntie van dit lichtveranderende proces enorm zou kunnen verbeteren - en hij wilde dat het microscopisch zou zijn.

"Ik werd voor het eerst met dit probleem geconfronteerd door Dario Gerace van de Universiteit van Pavia in Italië, terwijl ik bezig was met mijn Ph.D. in Zwitserland. Ik heb er toen aan gewerkt, maar het is erg moeilijk, ' zei Minkov. 'Sindsdien zit het in mijn achterhoofd. Zo nu en dan, Ik zou het aan iemand in mijn vakgebied vertellen en ze zouden zeggen dat het bijna onmogelijk was."

Om te bewijzen dat het bijna onmogelijke nog mogelijk was, Minkov en Shanhui Fan, hoogleraar elektrotechniek aan Stanford, ontwikkelde richtlijnen voor het creëren van een kristalstructuur met een onconventionele tweedelige vorm. De details van hun oplossing werden op 6 augustus gepubliceerd in optiek , met Gerace als co-auteur. Nutsvoorzieningen, het team begint zijn theoretische structuur te bouwen voor experimenteel testen.

Een recept om licht te beperken

Iedereen die een groene laserpointer is tegengekomen, heeft niet-lineaire optica in actie gezien. In die laserpointer, een kristalstructuur zet laserlicht om van infrarood naar groen. (Groen laserlicht is gemakkelijker te zien voor mensen, maar componenten om alleen groene lasers te maken komen minder vaak voor.) Dit onderzoek heeft tot doel een vergelijkbare golflengte-halvering conversie uit te voeren, maar in een veel kleinere ruimte, wat zou kunnen leiden tot een grote verbetering van de energie-efficiëntie als gevolg van complexe interacties tussen de lichtstralen.

Het doel van het team was om het naast elkaar bestaan ​​van de twee laserstralen te forceren met behulp van een fotonische kristalholte, die licht kan focussen in een microscopisch volume. Echter, bestaande fotonische kristalholten beperken meestal slechts één golflengte van licht en hun structuren zijn sterk aangepast om die ene golflengte te accommoderen.

Dus in plaats van één uniforme structuur te maken om alles te doen, deze onderzoekers bedachten een structuur die twee verschillende manieren combineert om licht te beperken, een om het infraroodlicht vast te houden en een ander om het groen vast te houden, allemaal nog steeds in een klein kristal.

"Het hebben van verschillende methoden om elk licht te bevatten, bleek gemakkelijker te zijn dan het gebruik van één mechanisme voor beide frequenties en, In zekere zin, het is totaal anders dan wat mensen dachten te moeten doen om deze prestatie te volbrengen, ' zei Fan.

Na het gladstrijken van de details van hun tweedelige structuur, de onderzoekers maakten een lijst van vier voorwaarden, die collega's zou moeten begeleiden bij het bouwen van een fotonische kristalholte die in staat is twee zeer verschillende golflengten van licht vast te houden. Hun resultaat leest meer als een recept dan als een schema, omdat lichtmanipulerende structuren nuttig zijn voor zoveel taken en technologieën dat ontwerpen voor hen flexibel moeten zijn.

"We hebben een algemeen recept dat zegt:'Vertel me wat je materiaal is en ik zal je de regels vertellen die je moet volgen om een ​​fotonische kristalholte te krijgen die vrij klein is en het licht op beide frequenties beperkt, ', zei Minkov.

Computers en nieuwsgierigheid

Als telecommunicatiekanalen een snelweg waren, schakelen tussen verschillende golflengten van licht zou gelijk staan ​​aan een snelle verandering van rijstrook om vertraging te voorkomen - en één structuur die meerdere kanalen bevat, betekent een snellere omslag. Niet-lineaire optica is ook belangrijk voor kwantumcomputers omdat berekeningen in deze computers afhankelijk zijn van het creëren van verstrengelde deeltjes, die kan worden gevormd door het tegenovergestelde proces dat plaatsvindt in het Fan lab-kristal - het creëren van tweeling rode lichtdeeltjes uit één groen lichtdeeltje.

Door mogelijke toepassingen van hun werk voor te stellen, kunnen deze onderzoekers kiezen wat ze gaan bestuderen. Maar ze worden ook gemotiveerd door hun verlangen naar een goede uitdaging en de ingewikkelde vreemdheid van hun wetenschap.

"In principe, we werken met een plaatstructuur met gaten en door deze gaten aan te brengen, we kunnen licht beheersen en vasthouden, Fan zei. "We verplaatsen en verkleinen deze kleine gaatjes met miljardsten van een meter en dat markeert het verschil tussen succes en mislukking. Het is heel vreemd en eindeloos fascinerend."

Deze onderzoekers worden binnenkort geconfronteerd met deze fijne kneepjes in het lab, terwijl ze hun fotonische kristalholte beginnen te bouwen voor experimenteel testen.