AMOLF-forskare har i samarbete med Delfts tekniska universitet lyckats få ljusvågor att stanna genom att deformera den tvådimensionella fotoniska kristall som innehåller dem. Forskarna visar att även en subtil deformation kan ha en betydande effekt på fotonerna i kristallen. Detta liknar den effekt som ett magnetfält har på elektroner.
”Denna princip erbjuder en ny metod för att sakta ner ljusfält och därigenom öka deras styrka. Att förverkliga detta på ett chip är särskilt viktigt för många tillämpningar”, säger Ewold Verhagen, ledare för AMOLF-gruppen.
Forskarna har publicerat sina resultat i tidskriften Nature Photonics. Samtidigt har ett forskarlag från Pennsylvania State University publicerat en artikel i samma tidskrift om hur de – oberoende av det holländska teamet – demonstrerat en identisk effekt.
Att manipulera ljusflödet i ett material på små skalor är fördelaktigt för utvecklingen av nanofotoniska chip. För elektroner kan en sådan manipulation åstadkommas med hjälp av magnetfält; Lorentz-kraften styr elektronernas rörelse. Detta är dock omöjligt för fotoner eftersom de inte har någon laddning.
Forskarna i gruppen Photonic Forces vid AMOLF letar efter tekniker och material som skulle göra det möjligt för dem att applicera krafter på fotoner som liknar effekterna av magnetfält.
Elektroner
”Vi har hämtat inspiration från hur elektroner beter sig i material. I en ledare kan elektronerna i princip röra sig fritt, men ett yttre magnetfält kan sätta stopp för detta. Den cirkulära rörelse som magnetfältet orsakar stoppar ledningen och elektronerna kan därför bara existera i materialet om de har mycket specifika energier. Dessa energinivåer kallas Landau-nivåer, och de är karakteristiska för elektroner i ett magnetfält”, säger Verhagen.
”Men i det tvådimensionella materialet grafen – som består av ett enda lager kolatomer ordnade i en kristall – kan dessa Landau-nivåer också orsakas av en annan mekanism än ett magnetfält. I allmänhet är grafen en bra elektronisk ledare, men detta förändras när kristalluppsättningen deformeras, till exempel genom att sträcka den som en resår.
”En sådan mekanisk deformation stoppar ledningen; materialet förvandlas till en isolator och elektronerna binds följaktligen till Landau-nivåer. Deformationen av grafen har alltså en liknande effekt på elektronerna i ett material som ett magnetfält, även utan en magnet. Vi frågade oss om ett liknande tillvägagångssätt skulle fungera även för fotoner.”
Fotonisk kristall
I ett samarbete med Kobus Kuipers från Delfts tekniska universitet har Verhagen-gruppen faktiskt visat en liknande effekt för ljus i en fotonisk kristall.
”En fotonisk kristall består normalt av ett regelbundet tvådimensionellt mönster av hål i ett kiselskikt. Ljus kan röra sig fritt i det här materialet, precis som elektroner i grafen”, säger försteförfattaren René Barczyk som framgångsrikt försvarade sin doktorsavhandling i ämnet 2023. ”Om man bryter mot denna regelbundenhet på exakt rätt sätt kommer matrisen att deformeras och fotonerna följaktligen låsas fast. Det är så vi skapar Landau-nivåer för fotoner.”
I Landau-nivåer rör sig inte längre ljusvågorna; de flödar inte genom kristallen utan står stilla. Forskarna lyckades påvisa detta genom att visa att deformationen av kristalluppställningen har en liknande effekt på fotoner som ett magnetfält har på elektroner.
Verhagen säger: ”Genom att leka med deformationsmönstret lyckades vi till och med skapa olika typer av effektiva magnetfält i ett och samma material. Som ett resultat av detta kan fotoner röra sig genom vissa delar av materialet, men inte i andra. Därför ger dessa insikter också nya sätt att styra ljus på ett chip.”
Simultana experiment
Verhagen och hans team inspirerades av teoretiska förutsägelser som gjorts av forskare vid Pennsylvania State University och Columbia University. Verhagen minns: ”När vi gjorde våra första mätningar råkade jag prata med en av författarna till den andra studien. När det visade sig att de också letade efter experimentella bevis för effekten bestämde vi oss för att inte tävla om att vara först med att publicera utan istället skicka in arbetet samtidigt till förlaget.”
Även om vissa detaljer i tillvägagångssättet skiljde sig åt kunde båda teamen stoppa ljusvågor från att röra sig och observera Landau-nivåer genom att deformera en tvådimensionell fotonisk kristall.
”Det här för tillämpningar på chip närmare”, säger Verhagen. ”Om vi kan begränsa ljuset på nanoskalan och stoppa det på det här sättet kommer dess styrka att öka enormt. Och inte bara på en plats, utan över hela kristallytan. En sådan ljuskoncentration är mycket viktig i nanofotoniska enheter, till exempel för utvecklingen av effektiva lasrar eller kvantljuskällor.”
Ytterligare information: René Barczyk et al, Observation of Landau levels and chiral edge states in photonic crystals through pseudomagnetic fields induced by synthetic strain, Nature Photonics (2024). DOI: 10.1038/s41566-024-01412-3
Lämna ett svar