Нові форми фотонів відкривають двері перед оптичними технологіями

У своїй недавній роботі дослідники з Університету Твенте в Нідерландах отримали важливу інформацію про фотони. Ці частини «поводяться» на дивовижно більш різноманітно, ніж електроні, що оточують атоми, і водночас ними достатньо легше керувати. Ці ідеї мають широке застосування від розумного світлодіодного освітлення до нових фотонних бітів інформації, керованих квантовими схемами, до чутливих нових наносенсорів.                                       

В атомах елементарні частинки, які називаються електронами, займають область навколо ядра у формах, які називаються орбіталями. Ці орбіти забезпечують ймовірність перебування електрона в певній області простору. Квантова механіка визначає форми та енергії цих орбіталей. Подібно до електронів, дослідники описують область простору, де, швидше за все, знаходиться фотон, також з орбіталями.

Вчені з Університету Твенте досліджували ці фотонні орбіти та виявили, що за допомогою фактичного проектування конкретних матеріалів вони можуть створити й контролювати ці орбіти з великою різноманітністю форм і симетрії. Ці результати мають ефективне застосування в передових оптичних технологіях і квантових обчисленнях.

Перший автор Козон (Kozon) пояснює: «У підручниках з хімії електрони завжди обертаються навколо атомного ядра в центрі орбіталі. Отже, форма електронної орбіти не може сильно відрізнятися від ідеальної сфери. З фотонами орбіти можуть мати будь-яку дику форму, яку ви проектуєте, комбінуючи оптичні матеріали в різних розроблених просторових розташуваннях».

Дослідники провели обчислювальне дослідження, щоб зрозуміти, як виводяться фотони, коли вони обмежені певною 3D-наноструктурою, що складається з крихітних пор (фотонні кристали). Ці порожнини навмисно розроблені так, щоб мати дефекти, створюючи надбудову, яка ізолює фотонні стани від навколишнього середовища. Фізики Вос (Vos) і Лагендайк (Lagendijk) захоплюються: «Враховуючи багатий набір інструментів у нанотехнологіях, швидше проектувати чудові наноструктури з новими фотонними орбіталями, ніж модифікувати атоми для реалізації нових електронних орбіталей і хімії».
                        
Фотонні орбіталі важливі для розробки передових оптичних технологій, таких як ефективне освітлення, квантові обчислення та чутливі фотонні датчики. Дослідники вивчали також, як ці наноструктури підвищують локальну щільність оптичних станів, що важливо для створення квантової електродинаміки поверхні. Вони виявили, що структури з меншими дефектами виявляють більше покращення, ніж структури з більшими дефектами. Це робить їх більш придатними для інтеграції квантових точок і створення мережі з окремих фотонів.

Кілька фотонних орбіталей виникають у фотонно-кристалічній суперґратці

Про DCIM у забезпеченні успішної роботи ІТ-директора