Прорыв команды исследователей из Калифорнийского университета, Колумбийского университета и других учреждений может привести к более точной передаче информации в компьютерных чипах, а также к новым типам оптических материалов для излучения света и лазеров.
Исследователи смогли управлять светом на длине около 500 нм – меньше, чем собственная длина волны светового сигнала – с помощью случайной структуры кристаллических решеток, чтобы противодействовать дифракции света. Это открытие может начать новый этап в лазерной коллимации - методах сохранения лазерного луча точным и узким.
Свет может быть использован для передачи информации в компьютерных чипах и оптических волокнах. Но когда возникает дифракция, передача данных не так чиста, или точна, как это могло бы быть.
Следовательно, технология, которая предотвращает дифракцию и более точно управляет светом, используемом для передачи данных, может привести к достижениям в оптической связи, которые позволили бы оптическую обработку сигнала, чтобы преодолеть физические ограничения современной электроники, и позволили бы инженерам создать более совершенные оптические волокна для использования в биомедицине.
Для управления светом на наноуровне ученые использовали оптическую кристаллическую суперрешетку – решетчатую структуру, изготовленную из кристаллов, которая позволяет свету проходить через нее. Решетка была беспорядочным паттерном, с тысячами наноразмерных семиугольных, квадратных и треугольных отверстий. Эти отверстия, каждое меньше, чем длина волны света, проходящего через структуру, служат в качестве направляющих для луча света.
Инженерам было известно, что паттерн с равномерно распределенными отверстиями может в какой-то степени управлять пространственной дифракцией. Но в новом исследовании ученые обнаружили, что структуры с более беспорядочным паттерном лучше всего захватывали и коллимировали пучок в узкий луч, и что структура работала в широкой части инфракрасного спектра.
Ведущим автором исследования был Pin-Chun Hsieh, докторант из Колумбийского университета.
Эффект беспорядка, известный как локализация Андерсона, был впервые предложен в 1958 году лауреатом Нобелевской премии Филиппом Андерсоном. Это физическое явление, которое объясняет проводимость электронов и волн в физике конденсированного состояния.
Новое исследование было первым, которое изучило поперечную локализацию Андерсона в среде фотонного кристалла масштаба чипа.
«Это исследование позволяет нам проверить теорию локализации Андерсона в масштабе чипа посредством конструирования случайной структуры, в отличие от периодической, - сказал проф. Чи Вэй Вон (Chee Wei Wong) из Калифорнийского университета. - То, что наблюдал Pin-Chun, открывает новый путь в управлении распространением света в масштабе длин волн».
Hsieh заявил, что выводы полностью алогичны, потому что можно было бы подумать, что беспорядок в структурах приведет к большему рассеянию света. «Этот эффект ясно показывает, что управляемый беспорядок может препятствоваь поперечному транспорту и реально уменьшить рассеяние света», - отметил он.
Численное моделирование проводилось при Университетском колледже Лондона, а изготовление образца осуществлялось в Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке и в National Cheng Kung University на Тайване.
Художественное изображение света, проходящего через фотонную кристаллическую суперрешетку, где отверстия были расположены случайным образом. Результатом явился более узкий пучок света