Cinque anni fa, Lo studioso post-dottorato di Stanford Momchil Minkov ha incontrato un enigma che era impaziente di risolvere. Al centro del suo campo di ottica non lineare ci sono dispositivi che cambiano la luce da un colore all'altro, un processo importante per molte tecnologie all'interno delle telecomunicazioni, apparecchiature informatiche e basate su laser e scienza. Ma Minkov voleva un dispositivo che catturasse anche entrambi i colori della luce, un'impresa complessa che potrebbe migliorare notevolmente l'efficienza di questo processo di cambiamento della luce, e voleva che fosse microscopico.

"Sono stato esposto per la prima volta a questo problema da Dario Gerace dell'Università di Pavia in Italia, mentre stavo facendo il mio dottorato di ricerca. in Svizzera. Ho provato a lavorarci allora ma è molto difficile, " Minkov ha detto. "E 'stato nella parte posteriore della mia mente da allora. Occasionalmente, Ne parlerei a qualcuno nel mio campo e loro direbbero che era quasi impossibile".

Per dimostrare che il quasi impossibile era ancora possibile, Minkov e Shanhui Fan, professore di ingegneria elettrica a Stanford, sviluppato linee guida per la creazione di una struttura cristallina con una forma in due parti non convenzionale. I dettagli della loro soluzione sono stati pubblicati il ​​6 agosto in ottica , con Gerace come coautore. Ora, il team sta iniziando a costruire la sua struttura teorizzata per i test sperimentali.

Una ricetta per confinare la luce

Chiunque abbia incontrato un puntatore laser verde ha visto l'ottica non lineare in azione. Dentro quel puntatore laser, una struttura cristallina converte la luce laser da infrarossa a verde. (La luce laser verde è più facile da vedere per le persone, ma i componenti per realizzare i laser solo verdi sono meno comuni.) Questa ricerca mira a mettere in atto una conversione simile al dimezzamento della lunghezza d'onda ma in uno spazio molto più piccolo, che potrebbe portare a un grande miglioramento dell'efficienza energetica a causa di complesse interazioni tra i fasci di luce.

L'obiettivo del team era quello di forzare la coesistenza dei due raggi laser utilizzando una cavità di cristallo fotonico, che può focalizzare la luce in un volume microscopico. Però, le cavità dei cristalli fotonici esistenti di solito confinano solo una lunghezza d'onda della luce e le loro strutture sono altamente personalizzate per adattarsi a quella lunghezza d'onda.

Quindi, invece di creare una struttura uniforme per fare tutto, questi ricercatori hanno ideato una struttura che combina due diversi modi per confinare la luce, uno per trattenere la luce a infrarossi e un altro per trattenere il verde, tutto ancora contenuto in un minuscolo cristallo.

"Avere metodi diversi per contenere ciascuna luce si è rivelato più semplice che utilizzare un meccanismo per entrambe le frequenze e, in un certo senso, è completamente diverso da quello che la gente pensava di dover fare per realizzare questa impresa, " ha detto Fan.

Dopo aver appianato i dettagli della loro struttura in due parti, i ricercatori hanno prodotto un elenco di quattro condizioni, che dovrebbe guidare i colleghi nella costruzione di una cavità di cristalli fotonici in grado di contenere due lunghezze d'onda di luce molto diverse. Il loro risultato sembra più una ricetta che uno schema perché le strutture di manipolazione della luce sono utili per così tante attività e tecnologie che i progetti per loro devono essere flessibili.

"Abbiamo una ricetta generale che dice, "Dimmi qual è il tuo materiale e ti dirò le regole che devi seguire per ottenere una cavità di cristallo fotonico che è piuttosto piccola e confina la luce a entrambe le frequenze, '", ha detto Minkov.

Computer e curiosità

Se i canali di telecomunicazione fossero un'autostrada, capovolgere tra diverse lunghezze d'onda della luce equivarrebbe a un rapido cambio di corsia per evitare un rallentamento e una struttura che contiene più canali significa un capovolgimento più veloce. L'ottica non lineare è importante anche per i computer quantistici perché i calcoli in questi computer si basano sulla creazione di particelle entangled, che può essere formato attraverso il processo opposto che si verifica nel cristallo del laboratorio Fan, creando particelle di luce rosse gemellate da una particella di luce verde.

Immaginare possibili applicazioni del loro lavoro aiuta questi ricercatori a scegliere ciò che studieranno. Ma sono anche motivati ​​dal desiderio di una bella sfida e dall'intricata stranezza della loro scienza.

"Fondamentalmente, lavoriamo con una struttura lastra con fori e disponendo questi fori, possiamo controllare e mantenere la luce, "Ha detto Fan. "Spostiamo e ridimensioniamo questi piccoli fori di miliardesimi di metro e questo segna la differenza tra successo e fallimento. È molto strano e infinitamente affascinante".

Questi ricercatori dovranno presto affrontare queste complessità in laboratorio, mentre stanno iniziando a costruire la loro cavità di cristallo fotonico per i test sperimentali.