Революція у фокусуванні світла: новий метод та мікрочипи

Вчені з дослідницьких інститутів AMOLF, TU Delft та Корнельського університету здійснили прорив у галузі оптичних технологій, розробивши унікальний метод концентрації світла на надзвичайно малих просторових масштабах. Дослідження, опубліковане у науковому журналі Science Advances, демонструє революційний підхід до маніпуляції світловими хвилями на рівні мікрочипів.

Традиційно фокусування світла було складним технічним викликом, особливо коли йшлося про мініатюрні масштаби, співмірні з довжиною хвилі світла. Існуючі методи мали суттєві обмеження: оптичні резонатори працювали лише на специфічних wavelength, а хвилеводи вимагали пристроїв значно більших за саму довжину хвилі.

Новий метод базується на унікальній топологічній властивості фотонних кристалів — надтонких кремнієвих пластинах з регулярними мікроскопічними отворами. Дослідники Daniel Muis та його колеги створили експериментальну установку, яка демонструє принципово новий підхід до концентрації світла.

Ключова особливість методу полягає у створенні спеціального хвилеводу на межі двох фотонних кристалів з дзеркально відображеними pattern. Світло в такій системі може рухатися лише уздовж чітко визначеної межі, причому його рух є «топологічно захищеним» — розсіювання та відбиття світла мінімізовані.

Експериментальна перевірка включала встановлення «стіни» в кінці хвилеводу, яка унеможливлює проходження світла. Несподіваним результатом стало накопичення світлової енергії безпосередньо перед цією перешкодою. Світло, по суті, затримується, створюючи локальне підсилення світлового поля.

Для визначення параметрів накопичення вчені використали унікальний мікроскоп у TU Delft, здатний сканувати світлові поля з надзвичайно високою точністю — роздільна здатність становила близько однієї тисячної товщини людської волосини.

Важливою перевагою нового методу є його широкосмуговість — здатність працювати з різними довжинами хвиль. Це відкриває принципово нові можливості для розвитку технологій у квантовій комунікації, оптичних сенсорах та мікролазерах.

Дослідники підкреслюють, що розроблений механізм потенційно може бути застосований не лише до світлових хвиль, але й до інших хвильових систем — включаючи звукові хвилі та електронні процеси у спеціальних кристалічних структурах.

Наступні кроки дослідження будуть спрямовані на вивчення часових характеристик накопичення світла, максимізацію підсилення світлового поля та пошук практичних застосувань у маніпуляціях світлом на оптичних мікрочипах.

Дослідження виконане групою вчених під керівництвом Ewold Verhagen з AMOLF та за участі колег з Корнельського університету та TU Delft. Результати роботи опубліковані у Science Advances і можуть слугувати методологічною базою для подальших досліджень у галузі оптоелектроніки та хвильової фізики.