L'esplorazione della propagazione e della localizzazione delle onde in vari media è stata un obiettivo fondamentale nel campo dell'ottica e dell'acustica. Nello specifico, nel campo della fotonica e della fononica, gli scienziati si sono dedicati alla comprensione e al controllo del comportamento delle onde luminose e sonore nei mezzi periodici.
Con le loro proprietà uniche di bandgap, i cristalli fotonici offrono un'eccellente piattaforma per studiare la propagazione e la localizzazione delle onde. Questi intervalli di banda, causati dalla struttura periodica del cristallo, possono controllare la propagazione delle onde e persino inibire completamente le onde in determinati intervalli di frequenza.
Tradizionalmente, si credeva che i modi al contorno nei cristalli fotonici fossero fortemente influenzati dalla dimensione del cristallo (numero di siti reticolari). Si presume generalmente che queste modalità siano più facilmente confinate in sistemi di grandi dimensioni (con molti siti reticolari) poiché la probabilità di tunneling diminuisce significativamente con l'aumento delle dimensioni del sistema. Questo fenomeno è fondamentale nella progettazione e nell'implementazione di dispositivi fotonici ad alte prestazioni, in particolare nel perseguire un'elevata integrazione e miniaturizzazione dei dispositivi.
Inoltre, nella ricerca sui cristalli fotonici, gli stati legati nel continuo (BIC) hanno attirato l'attenzione poiché rivelano che alcune modalità uniche possono essere confinate all'interno di regioni specifiche anche nello spettro continuo. Questo fenomeno fornisce una nuova prospettiva per comprendere e controllare la localizzazione delle onde luminose. Mostra un grande potenziale in applicazioni pratiche, come il miglioramento delle prestazioni e dell'efficienza dei dispositivi ottici.
Nuova ricerca pubblicata su Light:Science &Applications propone e conferma l'esistenza di stati delimitati da barriere finite. Lo spettro di un sistema è tipicamente costituito da spettri continui e discreti (pannello sinistro della Fig. 1). La saggezza convenzionale sostiene che lo spettro degli autovalori degli stati legati è discreto, mentre gli stati non legati formano uno spettro continuo.
Ad esempio, nei sistemi elettronici, se l'energia della particella è inferiore all'energia potenziale all'infinito, lo stato è vincolato ad uno spettro discreto; mentre le particelle con energia superiore all'energia potenziale si disperdono, formando uno spettro continuo.
Per le onde luminose e sonore, gli stati discreti si formano a causa delle condizioni al contorno imposte da una barriera, come un "bandgap". Questi stati discreti possono essere localizzati interamente in condizioni ideali (larghezza infinita della barriera, Fig. 1-II). Tuttavia, quando la larghezza della barriera è finita, esiste una probabilità che lo stato attraversi la barriera e diventi uno stato risonante (Fig. 1-III).
In particolare, gli stati legati nel continuo (BIC) sono spazialmente legati all'interno dell'intervallo di energia/frequenza dello spettro continuo (Fig. 1-I). Questo studio introduce un concetto controintuitivo parallelo ai BIC:alcuni stati possono essere legati interamente in materiali con bandgap molto sottile, rendendoli incapaci di tunnel attraverso il materiale con bandgap (Fig. 1-IV e 1-V).
Lo studio dimostra innanzitutto una speciale struttura a striscia di cristallo fotonico simmetrica a specchio in cui la transizione delle modalità al contorno può essere controllata con precisione. Quando la larghezza del cristallo fotonico (il numero di siti reticolari lungo la direzione y, Ny ) è piccolo, le modalità al contorno su entrambi i lati interagiscono e si dividono in modalità pari e dispari (Fig. 2 a-d).
A specifici vettori d'onda (nodi), la forza di accoppiamento dei modi al contorno è zero. Anche se la larghezza (Ny ) del cristallo fotonico è molto piccolo, la modalità limite non può saltare da un lato all'altro del cristallo fotonico (Fig. 2 e-f). In generale, si ritiene che siano necessari molti siti reticolari per sopprimere l'accoppiamento dei modi al contorno. Tuttavia, questo studio sfida questa visione e apre un nuovo metodo per manipolare il comportamento dei fotoni su scala microscopica.
Seguendo la configurazione precedente, i ricercatori rimuovono un confine PEC del cristallo fotonico, rivelando una nuova configurazione. Hanno scoperto che le restanti modalità di confine in specifici vettori d'onda nodali sono completamente intrappolate, formando Stati vincolati abilitati alla barriera finita nel continuo (FBIC).
Questi FBIC mostrano proprietà non radianti a causa del disaccoppiamento delle due modalità di confine. Nei nodi, dove la forza di accoppiamento dei modi al contorno è zero, esiste uno stato con un coefficiente di radiazione pari a zero quando un lato del PEC viene rimosso e la sua frequenza corrisponde alla frequenza nodale trovata nello scenario doppio PEC, identificandolo come un FBI.
Inoltre, alterando il dielettrico circolare in ellittico per rompere la simmetria dello specchio originale e introducendo un nuovo parametro geometrico η, lo studio ha definito un numero di avvolgimento nello spazio dei parametri kx-η, rivelando le caratteristiche topologiche degli FBIC e confermando queste modalità come BIC ( Fig. 3 a–b).
Considerando l'inevitabile perdita dielettrica alle frequenze delle microonde, lo studio ha validato sperimentalmente gli FBIC misurando l'attenuazione dei modi al contorno (Fig. 3 c-d), dimostrando la completa localizzazione dei modi al contorno all'interno di pochissimi siti reticolari (Ny =2, 3, ecc.), offrendo un nuovo approccio per raggiungere i BIC.
Questo studio innovativo esplora nuovi fenomeni fisici nei cristalli fotonici e ottiene un controllo preciso delle modalità al contorno. Questo lavoro non solo fornisce una nuova comprensione teorica del tunneling e del confine delle modalità al contorno nei cristalli fotonici, ma conferma anche la completa localizzazione delle modalità al contorno su specifici vettori d'onda attraverso esperimenti a microonde, portando una nuova prospettiva nel campo della fotonica.
La ricerca rivela nuovi metodi per manipolare il comportamento dei fotoni, il che è significativo per lo sviluppo di dispositivi fotonici altamente integrati. Offre inoltre nuove strategie per l’utilizzo dei cristalli fotonici per migliorare le interazioni luce-materia, portando potenzialmente a scoperte rivoluzionarie nell’ottica non lineare e nelle interazioni tra luce e materiali bidimensionali. Questi risultati potrebbero ispirare ricerche future, come l'applicazione di questi principi ad altri sistemi di onde come i cristalli fononici.
Ulteriori informazioni: Tao Liu et al, Stato limite barriera finita, Luce:scienza e applicazioni (2024). DOI:10.1038/s41377-024-01417-1
Informazioni sul giornale: Luce:scienza e applicazioni
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