In 1884, een schoolmeester en theoloog genaamd Edwin Abbott schreef een novelle genaamd Flatland, die het verhaal vertelt van een wereld bevolkt door bewuste tweedimensionale vormen. Hoewel bedoeld als een satire van rigide Victoriaanse sociale normen, Flatland fascineert wiskundigen en natuurkundigen al lang en diende als decor voor menig gedachte-experiment.

Eén zo'n gedachte-experiment:hoe kan licht in twee dimensies worden gecontroleerd?

Wanneer een lichtgolf door bepaalde materialen op een tweedimensionaal vlak wordt beperkt, het wordt iets dat bekend staat als een polariton - een deeltje dat het onderscheid tussen licht en materie vervaagt. Polaritonen hebben opwindende implicaties voor de toekomst van optische circuits omdat, in tegenstelling tot elektronische geïntegreerde schakelingen, geïntegreerde optica is moeilijk te miniaturiseren met veelgebruikte materialen. Polaritonen zorgen ervoor dat licht nauw wordt beperkt tot de nanoschaal, zelfs potentieel tot de dikte van een paar atomen.

De uitdaging is, alle manieren waarop we momenteel licht moeten controleren:lenzen, golfgeleiders, prisma's - zijn driedimensionaal.

"Het vermogen om licht te controleren en te beperken met volledig herprogrammeerbare optische circuits is van vitaal belang voor toekomstige sterk geïntegreerde nanofotonische apparaten, " zei Michele Tamagnene, een postdoctoraal fellow in Applied Physics aan de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS).

Nutsvoorzieningen, Tamagnone en een team van onderzoekers van SEAS hebben herschrijfbare optische componenten ontwikkeld voor oppervlaktelichtgolven. Het onderzoek is gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

In eerder onderzoek is het team, onder leiding van Federico Capasso, de Robert L. Wallace Professor of Applied Physics en Vinton Hayes Senior Research Fellow in Electrical Engineering, demonstreerde een techniek om polaritons te creëren en te controleren door licht op te vangen in een vlok hexagonaal boornitride. In dit onderzoek, de onderzoekers plaatsten die vlokken op het oppervlak van een materiaal dat bekend staat als GeSbTe (GST) - dezelfde materialen die worden gebruikt op het oppervlak van herschrijfbare cd's en Blu-ray-schijven.

"De herschrijfbare eigenschap van GST met behulp van eenvoudige laserpulsen zorgt voor de opname, wissen en herschrijven van informatiebits. Met behulp van dat principe, we hebben lenzen gemaakt, prisma's en golfgeleiders door ze direct in de materiaallaag te schrijven, " zei Xinghui Yin, een postdoctoraal onderzoeker bij SEAS en co-eerste auteur van de studie.

De lenzen en prisma's op dit materiaal zijn geen driedimensionale objecten zoals in onze wereld, maar eerder tweedimensionale vormen, zoals ze in Flatland zouden zijn. In plaats van een halfbolvormige lens, de polaritonen op het Flatland-esc-materiaal gaan door een platte halve cirkel van brekend materiaal dat als een lens werkt. In plaats van door een prisma te reizen, ze reizen door een driehoek en in plaats van optische vezels, de polaritonen bewegen door een eenvoudige lijn, die de golven langs een vooraf bepaald pad leidt.

Met behulp van een techniek die bekend staat als near-field microscopie, die het mogelijk maakt om kenmerken af ​​te beelden die veel kleiner zijn dan de golflengte van licht, de onderzoekers konden deze componenten aan het werk zien. Ze toonden ook voor het eerst aan dat het mogelijk is om de optische componenten die ze hebben gemaakt te wissen en te herschrijven.

"Dit onderzoek zou kunnen leiden tot nieuwe chips voor toepassingen zoals chemische detectie van één molecuul, aangezien de polaritonen in onze herschrijfbare apparaten overeenkomen met frequenties in het spectrumgebied waar moleculen hun veelbetekenende absorptievingerafdrukken hebben, ' zei Capasso.