“Dit principe biedt een nieuwe aanpak om lichtvelden af ​​te remmen en daarmee hun sterkte te vergroten. Het realiseren hiervan op een chip is voor veel toepassingen van bijzonder belang”, zegt AMOLF-groepsleider Ewold Verhagen.

De onderzoekers hebben hun bevindingen gepubliceerd in het tijdschrift Nature Photonics . Tegelijkertijd heeft een onderzoeksteam van de Pennsylvania State University een artikel in hetzelfde tijdschrift gepubliceerd over hoe zij – onafhankelijk van het Nederlandse team – een identiek effect hebben aangetoond.

Het manipuleren van de lichtstroom in een materiaal op kleine schaal is gunstig voor de ontwikkeling van nanofotonische chips. Voor elektronen kan een dergelijke manipulatie worden gerealiseerd met behulp van magnetische velden; de Lorentzkracht stuurt de beweging van elektronen. Voor fotonen is dit echter onmogelijk omdat ze geen lading hebben.

Onderzoekers van de groep Photonic Forces van AMOLF zoeken naar technieken en materialen waarmee ze krachten kunnen uitoefenen op fotonen die lijken op de effecten van magnetische velden.

Elektronen

“Inspiratie hebben we gezocht naar de manier waarop elektronen zich gedragen in materialen. In een geleider kunnen elektronen in principe vrij bewegen, maar een extern magneetveld kan dit tegenhouden. De cirkelvormige beweging veroorzaakt door het magneetveld stopt de geleiding en als zodanig kunnen elektronen bestaan ​​alleen in het materiaal als ze heel specifieke energieën hebben. Deze energieniveaus worden Landau-niveaus genoemd en zijn kenmerkend voor elektronen in een magnetisch veld”, zegt Verhagen.

‘Maar in het tweedimensionale materiaal grafeen – dat bestaat uit een enkele laag koolstofatomen gerangschikt in een kristal – kunnen deze Landau-niveaus ook worden veroorzaakt door een ander mechanisme dan een magnetisch veld. Over het algemeen is grafeen een goede elektronische geleider. , maar dit verandert wanneer de kristalreeks wordt vervormd, bijvoorbeeld door deze als elastieken uit te rekken.

"Dergelijke mechanische vervorming stopt de geleiding; het materiaal verandert in een isolator en bijgevolg worden de elektronen gebonden aan Landau-niveaus. Daarom heeft de vervorming van grafeen een soortgelijk effect op elektronen in een materiaal als een magnetisch veld, zelfs zonder magneet. We vroegen het ons af als een soortgelijke aanpak ook zou werken voor fotonen."

Fotonisch kristal

In samenwerking met Kobus Kuipers van de Technische Universiteit Delft heeft de groep van Verhagen inderdaad een soortgelijk effect aangetoond voor licht in een fotonisch kristal.

‘Een fotonisch kristal bestaat normaal gesproken uit een regelmatig – tweedimensionaal – patroon van gaten in een siliciumlaag. Licht kan vrij bewegen in dit materiaal, net als elektronen in grafeen’, zegt eerste auteur René Barczyk, die met succes zijn doctoraat verdedigde. proefschrift over dit onderwerp in 2023. "Het doorbreken van deze regelmaat op precies de juiste manier zal de array vervormen en daardoor de fotonen vergrendelen. Zo creëren we Landau-niveaus voor fotonen."

In Landau-niveaus bewegen lichtgolven niet langer; ze stromen niet door het kristal maar staan ​​stil. De onderzoekers slaagden erin dit aan te tonen, waarbij ze aantoonden dat de vervorming van de kristalreeks een vergelijkbaar effect heeft op fotonen als een magnetisch veld op elektronen.

Verhagen:“Door te spelen met het vervormingspatroon zijn we er zelfs in geslaagd om in één materiaal verschillende soorten effectieve magnetische velden tot stand te brengen. Hierdoor kunnen fotonen door bepaalde delen van het materiaal bewegen, maar in andere niet. Deze inzichten bieden dus ook nieuwe manieren om licht op een chip te sturen."

Gelijktijdige experimenten

Het werk van Verhagen en zijn team is geïnspireerd op theoretische voorspellingen van onderzoekers van Pennsylvania State University en Columbia University. Verhagen herinnert zich:‘Toen we onze eerste metingen deden, sprak ik toevallig een van de auteurs van dat andere onderzoek. Toen bleek dat zij ook op zoek waren naar experimenteel bewijs voor het effect, hebben we besloten niet mee te doen aan de strijd om de eerste te zijn. publiceren, maar in plaats daarvan het werk tegelijkertijd aan de uitgever voorleggen."

Hoewel sommige details in de aanpak verschilden, konden beide teams de beweging van lichtgolven tegenhouden en Landau-niveaus observeren door een tweedimensionaal fotonisch kristal te vervormen.

“Dit brengt on-chip-toepassingen dichterbij”, zegt Verhagen. ‘Als we licht op nanoschaal kunnen beperken en op deze manier tot stilstand kunnen brengen, zal de sterkte ervan enorm toenemen. En niet alleen op één locatie, maar over het hele kristaloppervlak. Een dergelijke lichtconcentratie is erg belangrijk in nanofotonische apparaten, want voorbeeld voor de ontwikkeling van efficiënte lasers of kwantumlichtbronnen."

Meer informatie: René Barczyk et al, Observatie van Landau-niveaus en chirale randtoestanden in fotonische kristallen door middel van pseudomagnetische velden geïnduceerd door synthetische spanning, Nature Photonics (2024). DOI:10.1038/s41566-024-01412-3

Journaalinformatie: Natuurfotonica

Aangeboden door AMOLF