Een brekingsindex van nul induceert een golfvector met een amplitude nul en een ongedefinieerde richting. Daarom, licht dat zich voortplant in een medium met nulindex accumuleert geen ruimtelijke fasevooruitgang, resulterend in een perfecte ruimtelijke samenhang. Een dergelijke samenhang brengt verschillende mogelijke toepassingen met zich mee, inclusief willekeurig gevormde golfgeleiders, fase-mismatch-vrije niet-lineaire voortplanting, single-mode lasers met groot oppervlak, en uitgebreide super uitstraling. Een veelbelovend platform om deze toepassingen te realiseren is een geïntegreerd Dirac-conusmateriaal met een op impedantie afgestemde nulindex. Echter, hoewel dit platform ohmse verliezen elimineert via zijn puur diëlektrische structuur, het gaat nog steeds gepaard met stralingsverlies buiten het vlak (ongeveer 1 dB/μm), het beperken van de toepassingen tot een kleine schaal.

in 2018, De onderzoeksgroep van professor Shanhui Fan aan de Stanford University ontwierp een verliesarm Dirac-kegel nul-indexmateriaal op basis van symmetrie-beschermde gebonden toestanden in het continuüm (BIC's). Echter, deze Dirac-kegel bestaat uit modi van hoge orde, het is dus een uitdaging om de fotonische kristalplaat te homogeniseren als een bulkmedium met nulindex.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Lichtwetenschap en toepassingen , een team van wetenschappers, onder leiding van professor Yang Li van de afdeling precisie-instrumenten aan de Tsinghua University, China, Professor Eric Mazur van de John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences aan de Harvard University, de VS, Professor Weiguo Chu van het Nanofabrication Laboratory van het National Center for Nanoscience and Technology, China, en collega's bereikten een ontwerp met een nulindex op basis van een puur diëlektrische fotonische kristalplaat (PhC-plaat). Dit ontwerp ondersteunt een toevallige Dirac-kegeldegeneratie van een elektrische monopoolmodus en een magnetische dipoolmodus in het midden van de Brillouin-zone. Een dergelijk ontwerp op basis van een lage-orde-modus kan beter worden behandeld als een homogeen medium met nulindex.

Hun ontwerp bestaat uit een vierkante reeks siliciumpilaren ingebed in een achtergrondmatrix van siliciumdioxide, met een eenvoudige fabricage met behulp van standaard vlakke processen. Om het stralingsverlies te verminderen, ze modelleren de boven- en onderkant van een PhC-plaat met nulindex als twee gedeeltelijk reflecterende spiegels om een ​​Fabry-Pérot (FP) holte te vormen. Vervolgens, ze passen de dikte van deze FP-holte aan om destructieve interferentie van opwaartse (neerwaartse) straling in het verre veld te induceren. Binnen elke pilaar, er zijn axiaal voortplantende modus(en) met dipoolsymmetrie die een ronde-tripfase van een geheel veelvoud van 2π tonen, daarom steeds resonantie-gevangen modes. De monopoolmodus straalt niet uit in de richting buiten het vlak vanwege zijn intrinsieke modussymmetrie.

"Ons ontwerp vertoont een voortplantingsverlies in het vlak van slechts 0,15 dB/mm bij de nul-indexgolflengte. Bovendien, de brekingsindex is bijna nul (|neff| <0,1) over een bandbreedte van 4,9%, ' verklaarde Tian Dong.

Voor toepassingen, Yueyang Liu voorspelt:"on-chip BIC Dirac-cone nul-index PhC-platen bieden een oneindige coherentielengte met een laag voortplantingsverlies. Dit opent de deur naar toepassingen van nul-indexmaterialen met een groot oppervlak in lineaire en niet-lineaire optica, evenals in lasers, bijvoorbeeld elektromagnetische energie tunneling door een nul-index golfgeleider met een willekeurige vorm, niet-lineaire lichtgeneratie zonder fasemismatch over een lange interactielengte, en laserstralen over een groot gebied in een enkele modus."

"Dit werk kan ook dienen als een on-chip lab om fundamentele kwantumoptica te onderzoeken, zoals het efficiënt genereren van verstrengelde fotonparen en collectieve emissie van veel emitters. In het bijzonder, omdat de ruimtelijke verdeling van Ez in elke siliciumpilaar oscilleert tussen een monopoolmodus en een dipoolmodus naarmate de tijd verstrijkt, alle kwantumstralers binnen de pijlers zullen dezelfde ruimtelijke fase ervaren in de monopool halve cyclus. Dit vermindert de uitdaging van nauwkeurige positionering van kwantumstralers in een fotonische holte aanzienlijk, " voegde Yueyang Liu toe.