"Questo principio offre un nuovo approccio per rallentare i campi luminosi e quindi aumentarne l'intensità. Realizzare questo su un chip è particolarmente importante per molte applicazioni", afferma il leader del gruppo AMOLF Ewold Verhagen.

I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Nature Photonics . Contemporaneamente, un gruppo di ricerca della Pennsylvania State University ha pubblicato un articolo sulla stessa rivista su come hanno dimostrato, indipendentemente dal team olandese, un effetto identico.

La manipolazione del flusso di luce in un materiale su piccola scala è vantaggiosa per lo sviluppo di chip nanofotonici. Per gli elettroni, tale manipolazione può essere realizzata utilizzando campi magnetici; la forza di Lorentz guida il movimento degli elettroni. Tuttavia, questo è impossibile per i fotoni perché non hanno carica.

I ricercatori del gruppo Photonic Forces dell'AMOLF sono alla ricerca di tecniche e materiali che consentano loro di applicare forze ai fotoni che assomigliano agli effetti dei campi magnetici.

Elettroni

"Abbiamo cercato ispirazione nel modo in cui gli elettroni si comportano nei materiali. In un conduttore, gli elettroni in linea di principio possono muoversi liberamente, ma un campo magnetico esterno può impedirlo. Il movimento circolare causato dal campo magnetico interrompe la conduzione e quindi gli elettroni possono esistono nel materiale solo se hanno energie molto specifiche. Questi livelli energetici sono chiamati livelli di Landau e sono caratteristici degli elettroni in un campo magnetico," spiega Verhagen.

"Ma nel materiale bidimensionale, il grafene, che consiste in un singolo strato di atomi di carbonio disposti in un cristallo, questi livelli di Landau possono anche essere causati da un meccanismo diverso rispetto a un campo magnetico. In generale, il grafene è un buon conduttore elettronico. , ma questo cambia quando la matrice di cristalli viene deformata, ad esempio allungandola come elastici.

"Tale deformazione meccanica interrompe la conduzione; il materiale si trasforma in un isolante e di conseguenza gli elettroni sono legati ai livelli di Landau. Quindi, la deformazione del grafene ha sugli elettroni in un materiale un effetto simile a quello di un campo magnetico, anche senza un magnete. Abbiamo chiesto chiederci se un approccio simile possa funzionare anche per i fotoni."

Cristallo fotonico

In una collaborazione con Kobus Kuipers dell'Università della Tecnologia di Delft, il gruppo di Verhagen ha infatti dimostrato un effetto simile per la luce in un cristallo fotonico.

"Un cristallo fotonico normalmente è costituito da uno schema regolare, bidimensionale, di fori in uno strato di silicio. La luce può muoversi liberamente in questo materiale, proprio come gli elettroni nel grafene", afferma il primo autore René Barczyk, che ha difeso con successo il suo dottorato. tesi su questo argomento nel 2023. "Rompere questa regolarità esattamente nel modo giusto deformerà l'array e di conseguenza bloccherà i fotoni. Questo è il modo in cui creiamo livelli di Landau per i fotoni."

Nei livelli di Landau le onde luminose non si muovono più; non fluiscono attraverso il cristallo ma restano fermi. I ricercatori sono riusciti a dimostrarlo, mostrando che la deformazione della matrice di cristalli ha sui fotoni un effetto simile a quello che ha un campo magnetico sugli elettroni.

Verhagen afferma:"Giocando con lo schema di deformazione, siamo persino riusciti a stabilire vari tipi di campi magnetici efficaci in un materiale. Di conseguenza, i fotoni possono muoversi attraverso alcune parti del materiale ma non in altre. Quindi, queste intuizioni forniscono anche nuovi modi per indirizzare la luce su un chip."

Esperimenti simultanei

Il lavoro di Verhagen e del suo team è stato ispirato dalle previsioni teoriche dei ricercatori della Pennsylvania State University e della Columbia University. Verhagen ricorda:"Quando stavamo effettuando le nostre prime misurazioni, mi è capitato di parlare con uno degli autori di quest'altro studio. Quando si è scoperto che stavano anche cercando prove sperimentali dell'effetto, abbiamo deciso di non competere per essere i primi pubblicare ma sottoporre invece l'opera contemporaneamente all'editore."

Sebbene alcuni dettagli nell'approccio differissero, entrambi i team sono riusciti a fermare il movimento delle onde luminose e osservare i livelli di Landau deformando un cristallo fotonico bidimensionale.

"Ciò avvicina le applicazioni su chip", afferma Verhagen. "Se riusciamo a confinare la luce su scala nanometrica e a fermarla in questo modo, la sua forza aumenterà enormemente. E non solo in un punto, ma su tutta la superficie del cristallo. Tale concentrazione di luce è molto importante nei dispositivi nanofotonici, perché esempio per lo sviluppo di laser efficienti o sorgenti di luce quantistica."