Van fotonische kristallen wordt voorspeld dat ze een van de wonderen van de 21e eeuw zijn. In de 20ste eeuw, nieuw begrip van de elektronische bandstructuur - de fysica die bepaalt wanneer een vaste stof geleidt of isoleert - zorgde voor een revolutie in de wereld. Diezelfde natuurkunde, wanneer toegepast op fotonische kristallen, stelt ons in staat om licht op dezelfde manier te regelen als hoe we elektronen regelen. Als fotonische kristallen hun belofte waarmaken, volledig optische transistors die weinig stroom verbruiken en nog krachtigere computers mogelijk maken, zouden een realiteit kunnen worden.

Maar, die bestemming is nog niet in zicht. Het probleem is er een van controle. We hebben uitstekende controle over de fabricage van elektronische geïntegreerde schakelingen, en halfgeleiders en elektronen zijn erg flexibel - als je de energie van een elektron wilt veranderen, gewoon een spanning aanleggen.

Het beheersen van de fabricage van fotonische kristallen is moeilijker. Elke kleine structuur moet worden vervaardigd en nauwkeurig worden gerepliceerd en geplaatst. Eenmaal gemaakt, een fotonisch kristal is onveranderlijk, wat het erg inflexibel maakt. Hetzelfde, fotonenergieën kunnen niet zo efficiënt worden veranderd als elektronenenergieën. Het resultaat is, als fotonische kristallen de toekomst van computers zijn, we zullen moeten leren hoe we ze zo kunnen maken dat ze on-the-fly kunnen worden aangepast.

Gerimpelde vloeistoffilms als meta-oppervlakken

in een nieuwe Geavanceerde fotonica papier, Shimon Rubin en Yeshaiahu Fainman van de University of California San Diego hebben laten zien hoe het mogelijk is om uit een vloeistof een flexibel maar duurzaam fotonisch kristal te maken. Ze voerden een reeks berekeningen uit om de vorming en prestaties van een fotonisch kristal te voorspellen op basis van zeer lokale verwarming in vloeibare dunne films.

Vloeistoffen worden over het algemeen niet als een goede keuze voor een fotonisch kristal beschouwd, omdat vloeistoffen geen vaste structuur hebben. De optische eigenschappen van een fotonisch kristal hangen af ​​van het vermogen van licht om miljoenen precies geplaatste structuren te reflecteren. Maar vloeistoffen eb en vloed, zodat structuren snel worden weggespoeld.

Echter, Rubin en Fainman merkten op dat op het grensvlak tussen een dunne vloeistoffilm en een vaste stof of gas, het samenspel tussen de oppervlaktespanning van de vloeistof en de lokale temperatuur kan een kleine structuur creëren (bijv. de vloeistof stapelt zich op om een ​​kleine heuvel te creëren). Echter, het was niet bekend of de structuren significant genoeg waren om te functioneren als een meta-oppervlak (een soort fotonisch kristal) en de voortplanting van licht te wijzigen.

De onderzoekers onderzochten verschillende arrangementen van vloeistoffilms die het licht gemakkelijk (ten minste gedeeltelijk) in de vloeistof laten geleiden. Om een ​​structuur te krijgen, de onderzoekers overwogen hoe lichtabsorptie de vloeistof zou kunnen verwarmen. Door lichtgolven te gebruiken die elkaar onder verschillende hoeken in de film kruisen, er ontstaat een patroon van heldere en donkere vlekken - dit patroon wordt een staand golfpatroon genoemd. De vloeistof absorbeert alleen energie van de heldere vlekken, Vandaar, de vloeistof zal alleen op zeer specifieke plaatsen opwarmen.

Flexibele vloeistoffen

De onderzoekers gebruikten de optische en thermische eigenschappen van de vloeistof, gecombineerd met vloeistofdynamische vergelijkingen en lichtvoortplanting om de door de vloeistof geabsorbeerde warmte te berekenen, en hoe het daardoor plaatselijk zou vervormen. De onderzoekers toonden aan dat periodieke rangschikkingen van heuvels en valleien in de vloeibare film konden worden verkregen door tussen twee en vier lichtgolven te kruisen. Twee lichtgolven creëren lijnen van heuvels en valleien, drie lichtgolven creëren zeshoekige arrangementen van heuvels en valleien, terwijl vier lichtstralen een schaakbordopstelling creëren. Op basis van deze ruimtelijke rangschikkingen werden vervolgens optische eigenschappen berekend.

Om het nut van hun voorgestelde meta-oppervlak aan te tonen, de onderzoekers berekenden de drempel van een laser. Als een versterkingsmedium zoals een kleurstof aan de vloeistof wordt toegevoegd, de periodieke vervorming van de vloeistof zoals hierboven beschreven kan leiden tot vorming van resonatoren, in staat om lasermodi te ondersteunen. Door de symmetrie van het fotonische vloeibare kristal te wijzigen, kunnen de frequentie en de emissierichting van de lasermodus worden geregeld.

Vloeibare fotonische kristallen lijken een aantal zeer mooie eigenschappen te hebben. Omdat licht wordt gebruikt om het patroon in vloeistof te creëren, het patroon vormt zich natuurlijk en zonder fouten. En, het patroon kan on-the-fly worden veranderd door de hoek tussen lichtgolven te veranderen, of golflengte van het licht dat wordt gebruikt om het patroon te creëren. Zelfs bewegende patronen kunnen worden gecreëerd door een van de lichtgolven te moduleren. Deze inherente flexibiliteit zou veel interessante toepassingen mogelijk moeten maken in, bijvoorbeeld, rekenen en gezondheidszorg. Echter, het succes van deze aanpak zal afhangen van een fysieke demonstratie van het basisconcept.