قرار دادن فوتون در زندان

یک زندان مینیاتوری برای فوتونها - این نانو حفره‌ای است که توسط دانشمندان دانشگاه تونت کشف شده است. این یک حفره بسیار کوچک است که توسط کریستال نوری احاطه شده است، ساختار منافذ در دو جهت عمود برش است. محدود کردن فوتونها در این حفره‌های سه بعدی می‌تواند به ساخت لیزرهای کوچک و افزایش کارآیی LEDها و ذخیره سازی اطلاعات یا ساخت بهتر حسگرهای حساس نوری منجر شود.
 
تکنیک‌هایی برای به دام انداختن نور در اصول فوتونیک موجود است. یک حفره شناخته شده از دو آینه تشکیل شده است که بین آنها یک موج ایستاده از رنگ مشخصی از نور تشکیل می‌شود، که ویژگی‌های آن بستگی به فاصله بین آینه‌ها دارد. این، اصلِ کارِ لیزر است. اما نورهایی که در سمت چپ نشت می‌کنند، هرگز دوباره بازتاب نمی‌شوند. آیا ممکن است فوتون را درون یک سلول زندان سه بعدی احاطه شده توسط آینه‌ها گیر انداخت؟ در حقیقت، محققان UT اکنون این را نشان داده‌اند. آینه‌ها در این مورد توسط یک بلور فوتونی سه بعدی تشکیل شده‌اند که شامل منفذهایی هستند که به صورت عمقی در سیلیکون در دو جهت عمود بر یکدیگر متبلور شده‌اند. تکنیک‌هایی برای به دام انداختن نور در اصول فوتونیک موجود است. یک حفره شناخته شده از دو آینه تشکیل شده است که بین آنها یک موج ایستاده از رنگ مشخصی از نور تشکیل می‌شود، که ویژگی‌های آن بستگی به فاصله بین آینه‌ها دارد.
 
کریستالهای فوتونی برای خواص بسیار ویژه آنها شناخته شده‌اند. ساختار و پراکندگی حفره‌ها فقط نورهایی با طول موجهای خاص را در داخل کریستال پخش می‌کنند. اما چگونه می‌توانید یک حفره ایجاد کنید تا یک فوتون را در ساختاری مثل این به دام اندازد؟ محققان UT در مقاله جدید خود نشان می‌دهند که این امر با تغییر عمدی قطر دو حفره ممکن است. در نقطه تقاطع آنها، بی نظمی یا نقص در داخل کریستال شکل می‌گیرد. این حفره کوچک توسط ساختار کریستالی دوره‌ای احاطه شده است که فوتون را مجبور به برگشت به حفره می‌کند. به سادگی، راه فراری وجود ندارد. محاسبات نشان می دهد که در این حجم کم از حفره، انرژی نوری تا 2400 برابر در مقایسه با بیرون کریستال افزایش می‌یابد. این با توجه به ابعاد کوچک حفره، افزایش بسیار بزرگی است.
 

با تغییر ساختار دوره‌ای به صورت موضعی، کریستال همچنین جذب قابل توجهی از نور مرئی را نشان می‌دهد، تا 10 برابر جذب سیلیکون به صورت فله‌ای. پروفسور ویلم Vos می‌گوید: "این جذب قوی، در یک حجم بسیار کوچک، یک ویژگی عالی برای سنسورهای جدید است. با توجه به دانسیته بالای تخلخلها، کریستال بسیار سبک وزن است - ما همچنین این را «حفره‌گی» می‌نامیم." او رهبر گروه سیستم های مجتمع فوتونیک در موسسه MESA + UT است.
 
در نشریات قبلی، این گروه نشان داد که کریستالهای فوتونی دیامانت–مانند، طیف وسیعی از رنگهای نور را برای تمام زوایا می‌توانند منعکس کنند. این نتایج منجر شد به کشف جدیدی که در حال حاضر ارائه شده است. انتظار می‌رود در نسل‌های آینده مدارهای مجتمع فوتونی (PICs) نانو حفره‌ها نقش مهمی را در رفتار سیگنال‌های نوری، ذخیره سازی اطلاعات و دستگاه‌های فوتونیک کوانتومی بازی کنند.
 
این تحقیق توسط گروه مجتمع فوتونی سیستم، همراه با گروه ریاضیات علوم محاسباتی، هر دو از MESA + UT انجام شد.
 

دانشمندان مؤسسه فناوری نانو MESA + در دانشگاه تونته در هلند یک نوع جدید از حفره رزونانس را طراحی کرده‌اند که به عنوان زندانی برای فوتون عمل می‌کند. حفره در هر سه بعد در داخل یک بلور فوتونی، نور را محدود می‌کند. کریستال‌ها ساختاری شبیه به اتم‌ها در سنگهای الماس دارند. محدود کردن فوتون دارای کاربرد زیادی در اپتیک (لیزرهای مینیاتوری کارآمد و LEDها)، فناوری ارتباطات (بیت اطلاعات ذخیره سازی در تراشه) و حتی در علوم زیستی (سنسورهای کوچک و در عین حال حساس از مواد دارویی) است. نتایج در مجله معتبر Physical Review B منتشر شده توسط انجمن فیزیک آمریکا (APS) منتشر شده است.
 

 

توضیح تصویر: طراحی یک زندان برای نور در کریستال فوتونی الماس - مانند. قسمت بالای کریستال برداشته شده است تا ساختار داخلی را آشکار سازد. کریستال دارای یک ساختار الماس - مانند، ساخته شده از دو مجموعه متقابلا عمود بر هم است که در سیلیکون (مواد ستون فقرات آبی رنگ) حفر شده است. برای تحقق یک حفره رزونانس، یک حفره در هر مجموعه (نشان داده شده توسط فلش های سیاه) دارای قطر کوچکتر است. در تقاطع این دو منفذ، نقص نقطه‌ای در کریستال ظاهر می‌شود. محاسبات گسترده نشان می‌دهد که نور در حجم کوچک در اطراف این نقطه محدود شده است، همانطور که در منطقه زرد رنگ نشان داده شده است. طراحی جدید بر اساس بلورهای سه بعدی فوتونی است. این سازه‌ها به خاطر توانایی آنها برای کنترل انتشار و انتشار نور شناخته شده هستند.
 
در اپتیک، حفره‌های رزونانس به طور گسترده‌ای برای استفاده از توانایی آنها برای ذخیره نور در یک فضای محدود برای مدت زمانی خاص مورد استفاده قرار می‌گیرد. یک حفره عمومی شامل دو آینه جدا شده با طولی از مواد شفاف است. نور به جلو و عقب بین آینه‌ها پرش می‌کند. از آنجا که نور یک موج الکترومغناطیسی است، به نظر می‌رسد که تنها امواجی که طول موج آنها (یا رنگ آنها) با طول حفره هماهنگی داشته باشد می‌توانند در حفره وجود داشته باشند. این نتیجه‌ای از تداخل سازنده است که در آن قله‌ها و دره‌های بسیاری از امواج با شدت بالا ترکیب می‌شوند. از این رو، امواج مجاز تشدید می‌شوند و امواج ایستاده را در حفره تولید می‌کنند.
 
نور به طور نامحدودی در داخل یک حفره نفوذ نمی‌کند، چرا که در هر قسمت سفر رفت و برگشتی، بخشی از انرژی نور نشت می‌کند. نشت مهم ناشی از این واقعیت است که آینه‌ها معمولا نور را در تمام جهات منعکس نمی‌کنند. در بسیاری از مسیرهای سفر، نور برخورد به یک آینه را از دست می‌دهد و سپس از حفره فرار می‌کند. در صورتی که آینه‌های مخصوصی برای هر سه بعد به طور همزمان داشته باشیم این فرار ناخواسته می‌تواند متوقف شود. و این دقیقا همان چیزی است که طراحی تیم هلندی در آن کار می‌کند.
 
طراحی جدید بر اساس بلورهای سه بعدی فوتونی است. این سازه‌ها به خاطر توانایی آنها برای کنترل انتشار و انتشار نور شناخته شده است. آنها یک هندسه دوره‌ای دارند که تضمین می‌کند که یک رنگ مشخص از نور در داخل کریستال نتواند از داخل کریستال خارج شود.
 
در فاصله باند شکاف کریستال، رنگ ممنوعه نور زمانی که یک نقص نقطه‌ای وجود داشته باشد می‌تواند در یک حجم کوچک وجود داشته باشد. از آنجا که چنین حفره نوری توسط شکافهای فوتونیک کریستال احاطه شده است - که به عنوان یک آینه سه بعدی برای نور استفاده می‌شود - نور نمی‌تواند فرار کند و گویا در یک زندان قفل شده است.
 
بر گرفته از سایت فیز اُرگ

مترجم: علی رضایی میر قائد