Onderzoekers van het A*STAR Institute of High Performance Computing hebben een methode ontwikkeld voor het ontwerpen van materialen die de voortplanting van licht over een breed scala aan golflengten kunnen vertragen.

De lichtsnelheid in een vacuüm is altijd constant - een fundamenteel concept dat beroemd is geworden door Albert Einstein. Maar licht plant zich langzamer voort wanneer het een ander medium binnengaat, zoals glas. De mate waarin de snelheid wordt verminderd, wordt bepaald door de diëlektrische constante van een materiaal - een hogere diëlektrische constante geeft een langzamere voortplanting aan. In plaats van te vertrouwen op een beperkte bron van natuurlijke stoffen, wetenschappers zijn begonnen optische materialen te ontwerpen met een breder scala aan gunstige eigenschappen, waaronder 'langzaam' licht.

Een benadering is om twee materialen met verschillende diëlektrische constanten te combineren tot een periodieke structuur. Dit kan resulteren in eigenschappen die sterk verschillen van die van de samenstellende materialen, vooral wanneer de lengteschaal van de periodiciteit vergelijkbaar is met de golflengte van licht. "Deze zogenaamde fotonische kristallen, indien passend ontworpen en in ideale omstandigheden, kan de voortplanting van licht bijna helemaal stoppen, ", zegt A*STAR-wetenschapper Gandhi Alagappan.

De eis dat de periodiciteit van de structuur vergelijkbaar is met de golflengte van belang, echter, is een beperking voor praktische toepassingen. Het betekent dat de meeste van deze materialen alleen werken met licht van een enkele kleur. Alagappan en zijn collega Jason Ching Png hebben nu een schema ontwikkeld voor het ontwerpen van fotonische kristallen die over een breder bereik van golflengten werken.

Alagappan en Png beschouwden een structuur waarin twee verschillende materialen op elkaar zijn gelaagd. Om twee verschillende periodiciteiten te verkrijgen, echter, een derde materiaal met een diëlektrische constante halverwege tussen de twee andere materialen zou typisch nodig zijn. Dit maakt het fysiek maken van de structuur moeilijk. De onderzoekers concentreerden zich in plaats daarvan op het ontwikkelen van een wiskundige techniek om twee materialen zo te combineren dat het diëlektrische profiel in de stapelrichting bijna hetzelfde is als in de meer gecompliceerde structuur met drie materialen (zie afbeelding).

Alagappan en Png simuleerden de optische eigenschappen van hun gecombineerde fotonische kristal. Ze identificeerden een breed scala aan golflengten, bekend als het sterke koppelingsgebied met een hoge dichtheid aan langzame modi.

"We hebben een lineaire optische multi-scale architectuur uitgevonden die het creëren van breedband slow light mogelijk maakt, ", zegt Alagappan. "De voorgestelde structuur kan mogelijk een revolutie teweegbrengen in de huidige optische buffertechnologieën."