Iedereen die ooit de drums heeft gespeeld, een gitaar gestemd, of zelfs een wijnglas laten "zingen" door met een vinger langs de rand te cirkelen, weet van resonantie. akoestische resonatoren, zoals de holte van een trommel of een halfvol wijnglas, natuurlijk trillen op bepaalde frequenties van geluidsgolven om specifieke tonen te produceren. Het fenomeen resonantie kan ook worden toegepast op lichtgolven, waarbij optische resonatoren belangrijke componenten zijn van apparaten zoals lasers en sensoren.

Een studie gepubliceerd in Natuur beschrijft een nieuw ontwerp voor optische resonatoren die effectiever zijn in het vangen van licht, een belangrijke fundamentele stap naar het maken van efficiëntere optische apparaten. Het werk werd uitgevoerd door Bo Zhen en Ph.D. student Jicheng Jin van Penn en onderzoekers van Peking University en MIT.

Een deel van wat het zo moeilijk maakt om licht in een resonator te vangen, is dat licht is gemaakt van hoogfrequente golven, wat betekent dat hun golflengten extreem klein zijn - miljoenen keren kleiner dan de akoestische golven die mensen elke dag horen. Om deze kleine golven voor een lange tijd op te vangen, optische resonatoren moeten niet alleen ongelooflijk klein zijn, maar ook extreem nauwkeurig. "Het probleem is dat de fabricage niet perfect is, " legt Zhen uit. "Natuurlijk, het fabricageproces zal ruwheid op het oppervlak en fluctuaties in het oorspronkelijke ontwerp introduceren, dus het eigenlijke apparaat is in de praktijk altijd hobbelig."

De "hobbelige" en onvolmaakte aard van optische resonatoren is wat momenteel de kwaliteitsfactor van een apparaat beperkt, of de hoeveelheid tijd die de resonator licht kan vangen voordat de golven vervagen. Gezien de beperkingen in de engineering van dergelijke apparaten, de onderzoekers probeerden een optische resonator te maken die minder vatbaar was voor inherente onvolkomenheden.

Dit werk was gebaseerd op Zhen's eerdere onderzoek naar de theorie van topologische ladingen, ook wel gebonden staten in het continuüm genoemd. Topologische ladingen ontstaan ​​door interferentie, een veelvoorkomend golffenomeen dat kan worden gezien wanneer golven tegen elkaar botsen en ofwel optellen om grotere golven te maken of elkaar opheffen. Topologische ladingen treden op wanneer de stralingsgolven die uit het apparaat komen, elkaar opheffen, waardoor het apparaat de energie van licht langer kan vasthouden.

Met inzichten uit de theorie van Zhen, de onderzoekers ontworpen, gesimuleerd, en vervaardigde optische resonatorapparaten genaamd fotonische kristalplaten, die een patroon hebben met gaten ter grootte van een nanometer die op gelijke afstand van elkaar zijn geplaatst. Hun apparaat was nog steeds "onvolmaakt, " met oneffen oppervlakken zichtbaar onder een scanning elektronenmicroscoop, maar het unieke topologische kenmerk van het ontwerp verbeterde de kwaliteitsfactor aanzienlijk, of het vermogen om licht voor een veel langere periode op te vangen dan anders mogelijk zou zijn.

Een uniek kenmerk van het apparaat is dat het negen unieke topologische ladingen kan genereren. Elke afzonderlijke lading gaat dan over in één, waardoor een nog sterkere opheffing van de stralingsgolven, licht gedurende langere tijd in het apparaat opsluiten.

Het samenvoegen van de ladingen was een fenomeen dat in eerder werk was voorspeld, legt Zhen uit, maar het laatste artikel van de groep verschafte een sterk theoretisch inzicht in het effect ervan op kwaliteitsfactoren. "Het feit dat ze negen ladingen hebben die op hetzelfde punt samenkomen, is een heel uniek kenmerk. In het begin is het behoorlijk misleidend; je kunt het op verschillende manieren interpreteren, en we werden afgeleid naar een andere richting. Eventueel, door veel na te denken, alles is gelukt."

Hun innovatieve platform, met een kwaliteitsfactor die 10 keer groter is dan die van andere apparaten die geen samenvoegende topologische ladingen gebruiken, kan leiden tot verbeteringen in tal van op optica gebaseerde toepassingen. Verder, de onderzoekers toonden al de bruikbaarheid van hun aanpak op een onmiddellijke real-world applicatie, terwijl de studie keek naar golflengten van licht die al worden gebruikt voor telecommunicatie.

Dankzij hun complementaire expertises, van apparaatfabricage aan de Universiteit van Peking en theoretische natuurkunde aan Penn, konden de wetenschappers een eenvoudige, op fysica gebaseerde oplossing voor een voorheen onopgeloste technische uitdaging.

"Het verbetert de kwaliteit zonder de fabricage te optimaliseren, " zegt Jin, die onlangs zijn masterdiploma behaalde aan de Universiteit van Peking en nu een afgestudeerde student is in het laboratorium van Zhen. "Je hoeft geen veeleisend werk te doen om de fabricagemethoden te verbeteren; je hoeft alleen maar een slim ontwerp te kiezen. Er zijn geen ingewikkelde trucs, maar je kunt echt een grote verbetering zien."