Теперь исследователи SEAS продвинули эту технологию дальше, разработав волновод с нулевым показателем преломления, совместимый с современными кремниевыми фотонными технологиями. При этом команда наблюдала физическое явление, которое обычно не наблюдается, — стоячую световую волну.
Исследование опубликовано в ACS Photonics. Гарвардское управление технологического развития подало заявку на патент и изучает возможности коммерциализации.
Когда длина волны света проходит через материал, его гребни и впадины конденсируются или растягиваются, в зависимости от свойств материала. Степень конденсации гребней световой волны выражается соотношением, называемым показателем преломления — чем выше показатель, тем больше сплющивается длина волны.Когда показатель преломления снижается до нуля, свет больше не ведет себя как движущаяся волна, перемещаясь в пространстве в виде серии гребней и впадин, также известных как фазы.
Вместо этого волна растягивается бесконечно долго, создавая постоянную фазу. Фаза колеблется только как переменная времени, а не пространства.Это интересно для интегральной фотоники, потому что большинство оптических устройств используют взаимодействия между двумя или более волнами, которые должны распространяться синхронно, когда они движутся по цепи.
Если длина волны бесконечно велика, согласование фазы длин волн света не проблема, поскольку оптические поля везде одинаковы.Но после первого прорыва 2015 года исследовательская группа наткнулась на уловку-22.
Поскольку команда использовала призмы, чтобы проверить, действительно ли свет на кристалле бесконечно растягивается, все устройства были построены в форме призмы. Но призмы не особенно полезны для интегральных схем.
Команда хотела разработать устройство, которое можно было бы подключать напрямую к существующим фотонным схемам, и для этого наиболее полезной формой является прямой провод или волновод.Исследователи под руководством Эрика Мазура, балканского профессора физики, построили волновод, но без помощи призмы у них не было простого способа доказать, имеет ли он нулевой показатель преломления.
Затем у докторантов Орада Решефа и Филиппа Камайд-Муньоса появилась идея.Обычно длина световой волны слишком мала и колеблется слишком быстро, чтобы измерить что-либо, кроме среднего. Единственный способ увидеть длину волны — это объединить две волны для создания интерференции.Представьте себе струны на гитаре, прикрепленные с обеих сторон.
Когда струна натягивается, волна проходит через струну, ударяется о стержень с другой стороны и отражается обратно, создавая две волны, движущиеся в противоположных направлениях с одинаковой частотой. Такая интерференция называется стоячей волной.Решеф и Камайд-Муньос применили ту же идею к свету в волноводе. Они «придавили» свет сияющими лучами в противоположных направлениях через устройство, чтобы создать стоячую волну.
Отдельные волны все еще колебались быстро, но они колебались с одной и той же частотой в противоположных направлениях, то есть в определенных точках они компенсировали друг друга, а в других точках складывались вместе, создавая полностью светлый или полностью темный узор. А благодаря материалу с нулевым показателем преломления команда смогла увеличить длину волны, достаточную для того, чтобы видеть.Это может быть первый раз, когда когда-либо наблюдалась стоячая волна с бесконечно большой длиной волны.
«Мы смогли наблюдать захватывающую демонстрацию нулевого индекса», — сказал Решеф, недавно получивший должность в Оттавском университете. «Распространяясь в среде с таким низким показателем, эти волновые элементы, которые в свете, как правило, слишком малы для непосредственного обнаружения, расширяются, так что вы можете увидеть их с помощью обычного микроскопа».«Это добавляет важный инструмент в набор инструментов кремниевой фотоники», — сказал Камайд-Муньос. «В режиме нулевого индекса есть экзотическая физика, и теперь мы привносим его в интегрированную фотонику.
Это важный шаг, потому что он означает, что мы можем подключаться напрямую к обычным оптическим устройствам и находить реальное применение явлениям нулевого индекса. В будущем квантовые компьютеры могут быть основаны на сетях возбужденных атомов, которые общаются посредством фотонов.
Диапазон взаимодействия атомов примерно равен длине волны света. Увеличивая длину волны, мы можем позволить дальнодействующим взаимодействиям увеличить квантовую устройств ".