O materials quântico magnético é essencial para trabalhar
No esforço para encolher e aprimorar tecnologias que controlam a luz, os pesquisadores do MIT revelaram uma nova plataforma que empurra os limites da óptica moderna através da nanofotônica, a manipulação da luz na nanoescala ou bilionésima de um metro.
O resultado é uma classe de dispositivos ópticos extremely compactos que não são apenas menores e mais eficientes que as tecnologias existentes, mas também dinamicamente ajustáveis ou comutáveis, de um modo óptico para outro. Até agora, essa tem sido uma combinação ilusória em nanofotonia.
“Este trabalho marca um passo significativo em direção a um futuro no qual os dispositivos nanofotônicos não são apenas compactos e eficientes, mas também reprogramáveis e adaptativos, capazes de responder dinamicamente a entradas externas. O casamento de materiais quânticos emergentes e as arquiteturas de nanofotônicas estabelecidas certamente trarão avanços para os dois campos”, afirmou Riccardo CominClasse de 1947 de 1947 Desenvolvimento de Carreira Professor de Física e Líder do Trabalho. O COMIN também é afiliado ao Laboratório de Pesquisa de Materiais e Laboratório de Pesquisa de Materiais do MIT (RLE).
Os colegas de Comin sobre o trabalho são Ahmet Kemal Demir, um estudante de graduação em física; Luca Nessi, agora associada de pós -doutorado da Politecnico di Milano; Sachin Vaidya, associado de pós -doutorado da RLE do MIT; Connor A. Occhialini; agora um associado de pós -doutorado na Columbia College; e Marin SoljačićCecil e Ida Inexperienced Professor de Física no MIT.
Demir e Nessi são co-primeiro autores do Nature Photonics papel.
Em direção a novos materiais nanofotônicos
A nanofotônica tradicionalmente se baseia em materiais como silício, nitreto de silício ou dióxido de titânio. Estes são os blocos de construção de dispositivos que guiam e limitam a luz usando estruturas como guias de ondas, ressonadores e cristais fotônicos. Estes últimos são arranjos periódicos de materiais que controlam como a luz se propaga, como um cristal de semicondutor afeta o movimento dos elétrons.
Embora altamente eficazes, esses materiais são restringidos por duas principais limitações. O primeiro envolve seus índices de refração. Essas são uma medida de quão fortemente um materials interage com a luz; Quanto maior o índice de refração, mais o materials “agarra” ou interage com a luz, dobrando -o mais acentuadamente e diminuindo mais a desaceleração. Os índices de refração do silício e outros materiais nanofotônicos tradicionais são frequentemente modestos, o que limita a força com que luz pode ser confinada e como pequenos dispositivos ópticos podem ser feitos.
Uma segunda grande limitação dos materiais nanofotônicos tradicionais: uma vez que uma estrutura é fabricada, seu comportamento óptico é essencialmente fixo. Geralmente, não há como reconfigurar significativamente como ela responde à luz sem alterá -la fisicamente. “A ajuste é essencial para muitas aplicações fotônicas de próxima geração, permitindo imagens adaptativas, detecção de precisão, fontes de luz reconfiguráveis e redes neurais ópticas treináveis”. disse Vaidya.
Introdução ao brometo de sulfeto de cromo
Estes são os desafios de longa knowledge que o brometo de sulfeto de cromo (CRSBR) está pronto para resolver. O CRSBR é um materials quântico em camadas com uma rara combinação de ordem magnética e forte resposta óptica. Central para suas propriedades ópticas exclusivas são excitons: as quasepartículas formadas quando um materials absorve a luz e um elétron é excitado, deixando para trás um “buraco” carregado positivamente. O elétron e o orifício permanecem unidos por atração eletrostática, formando uma espécie de partícula neutra que pode interagir fortemente com a luz.
No CRSBR, os excitons dominam a resposta óptica e são altamente sensíveis aos campos magnéticos, o que significa que eles podem ser manipulados usando controles externos.
Devido a esses excitons, o CRSBR exibe um índice de refração excepcionalmente grande que permite que os pesquisadores esculpem o materials para fabricar estruturas ópticas, como cristais fotônicos que estão de acordo com uma ordem de magnitude mais fina do que aqueles feitos de materiais tradicionais. “Podemos criar estruturas ópticas tão finas quanto seis nanômetros, ou apenas sete camadas de átomos empilhados um no outro”, disse Demir.
E, crucialmente, ao aplicar um campo magnético modesto, os pesquisadores do MIT foram capazes de alternar continuamente e reversivelmente o modo óptico. Em outras palavras, eles demonstraram a capacidade de alterar dinamicamente a maneira como a luz flui através da nanoestrutura, tudo sem partes móveis ou alterações de temperatura. “Esse grau de controle é ativado por uma mudança gigante e induzida magneticamente no índice de refração, muito além do que normalmente é possível em materiais fotônicos estabelecidos”, disse Demir.
De fato, a interação entre luz e excitons no CRSBR é tão forte que leva à formação de polaritons, partículas híbridas de matéria de luz que herdam propriedades de ambos os componentes. Esses polaritons permitem novas formas de comportamento fotônico, como não linearidades aprimoradas e novos regimes de transporte quântico. E, diferentemente dos sistemas convencionais que exigem cavidades ópticas externas para atingir esse regime, o CRSBR suporta polaritons intrinsecamente.
Embora essa demonstração use flocos de CRSBR independentes, o materials também pode ser integrado às plataformas fotônicas existentes, como circuitos fotônicos integrados. Isso torna o CRSBR imediatamente relevante para os aplicativos do mundo actual, onde pode servir como uma camada ou componente ajustável em dispositivos passivos.
Os resultados do MIT foram alcançados a temperaturas muito frias de até 132 Ok (-222 F). Embora isso esteja abaixo da temperatura ambiente, existem casos de uso convincentes, como simulação quântica, óptica não linear e plataformas polaritônicas reconfiguráveis, onde a ajuste incomparável do CRSBR poderia justificar a operação em ambientes criogênicos.
Em outras palavras, disse Demir, “o CRSBR é tão único em relação a outros materiais comuns que até descer a temperaturas criogênicas valerá a pena o problema, esperançosamente”.
Dito isto, a equipe também está explorando materiais relacionados com temperaturas de ordem magnética mais altas para permitir funcionalidade semelhante em condições mais acessíveis.
Este trabalho foi apoiado pelo Departamento de Energia dos EUA, pelo Escritório de Pesquisa do Exército e pela Mathworks Science Fellowship. O trabalho foi realizado em parte no MIT.Nano.
