Die Suche nach neuen Wegen, vorbeiziehende Lichtwellen zu verlangsamen oder sogar anzuhalten, könnte zu fortschrittlicheren optischen Geräten wie Lasern, LED-Anzeigen, Glasfasern und Sensoren führen.

In einer raffinierten Falle aus einem Siliziumkristall, der so verändert wurde, dass er sich verformbar verhält, haben Wissenschaftler eine flexible neue Möglichkeit gefunden, Lichtwellen vollkommen ruhig zu halten.

Licht kann auf viele verschiedene Arten gestoppt werden, etwa durch Abkühlen von Atomwolken oder sogar durch das Zusammenflechten von Lichtwellen. Diese neue Methode, die von AMOLF und der Technischen Universität Delft in den Niederlanden entwickelt wurde, bietet Vorteile, die neue technologische Anwendungen in die Realität umsetzen könnten.

„Dieses Prinzip bietet eine neue Möglichkeit, Lichtfelder zu verlangsamen und so ihre Stärke zu erhöhen.“ Sagt der Physiker Ewald Verhagen Zu Amolf. „Für viele Anwendungen ist es besonders wichtig, dies auf dem Chip zu erreichen.“

Die Arbeit des Teams beruhte auf der Manipulation von Elektronen mithilfe von 2D-Materialien wie Graphen. In einem leitenden Material können sich Elektronen frei bewegen und bewegen sich schnell wie auf einer kleinen Autobahn. Allerdings kann die Anwendung eines Magnetfeldes die Bewegung von Elektronen bei bestimmten Energien einschränken, die sogenannten Landau-Ebenen.

Es sind nicht nur Magnete, die Elektronen auf Landau-Niveaus bringen. Auch 2D-Graphen, das aus einer einzigen Atomschicht besteht, kann dies tun. Normalerweise ist Graphen leitfähig; Aber wenn man Graphen verzerrt oder verformt, beispielsweise durch Dehnen, kann man Elektronen in Landau-Ebenen einfangen und so das normalleitende Material in einen Isolator verwandeln.

Zusammen mit Rene Barczyk von AMOLF und Cobus Kuipers von der Universität Delft wollte Verhagen herausfinden, ob sie ein Material finden könnten, das auf Photonen eine ähnliche Wirkung hat wie Graphen auf Elektronen.

Jetzt kann Licht mithilfe eines graphenähnlichen Materials, einem sogenannten photonischen Kristall, manipuliert werden. Die Forscher fanden heraus, dass sie Lichtwellen auf ähnliche Weise stoppen konnten.

„Ein photonischer Kristall besteht typischerweise aus einem regelmäßigen – zweidimensionalen – Muster von Löchern in einer Siliziumschicht. Licht kann sich in diesem Material frei bewegen, genau wie Elektronen in Graphen.“ Barczyk erklärt.

„Wenn man diese Regelmäßigkeit genau richtig durchbricht, wird die Anordnung verzerrt und somit die Photonen blockiert. Auf diese Weise erzeugen wir Landau-Niveaus für Photonen.“

Die wabenförmigen photonischen Kristalle des Teams waren in der Lage, Licht auf Landau-Niveaus zu beschränken, indem sie einen Prozess verwendeten, der verschiedene Arten von Verzerrungen wie Biegung oder Verdrehung berücksichtigt. Sie waren auch in der Lage, an verschiedenen Stellen im selben Material unterschiedliche Arten der Verdrehung zu induzieren und so einen photonischen Kristall zu schaffen, in dem Licht an einigen Stellen frei fließen kann, an anderen jedoch eingeschlossen bleibt.

Diese Entdeckung muss noch weiterentwickelt werden, aber sie bringt Wissenschaftler der präzisen Steuerung des Lichts in sehr kleinen Maßstäben einen Schritt näher.

„Das bringt On-Chip-Anwendungen näher zusammen“ sagt Verhagen.

„Wenn wir Licht auf der Nanoskala einfangen und auf diese Weise stoppen könnten, würde seine Leistung erheblich gesteigert, und zwar nicht nur an einer Stelle, sondern über die gesamte Kristalloberfläche. Eine solche Lichtkonzentration ist in nanophotonischen Geräten sehr wichtig.“ es ist ein Beispiel für die Entwicklung effizienter Laser oder Energiequellen.“

Die Forschung des Teams wurde in veröffentlicht Naturphotonik.