uma, Laje de PhC de índice zero sem BICs. Um modo dipolo fotônico formando o índice zero resulta em radiação fora do plano, aumentando dramaticamente a perda de propagação do material. b, Laje de PhC de índice zero com um BIC. Em uma determinada altura, toda a radiação fora do plano ascendente / descendente interfere destrutivamente. Crédito:Tian Dong, Jiujiu Liang, Philip Camayd-Muñoz, Yueyang Liu, Haoning Tang, Shota Kita, Peipei Chen, Xiaojun Wu, Weiguo Chu, Eric Mazur, e Yang Li
Um índice de refração de zero induz um vetor de onda com amplitude zero e direção indefinida. Portanto, propagação de luz dentro de um meio de índice zero não acumula nenhum avanço de fase espacial, resultando em perfeita coerência espacial. Essa coerência traz várias aplicações potenciais, incluindo guias de ondas de formato arbitrário, propagação não linear livre de incompatibilidade de fase, lasers de modo único para grandes áreas, e super radiância estendida. Uma plataforma promissora para atingir essas aplicações é um material de cone Dirac integrado que apresenta um índice zero de impedância correspondente. Contudo, embora esta plataforma elimine perdas ôhmicas por meio de sua estrutura puramente dielétrica, ainda acarreta perda de radiação fora do plano (cerca de 1 dB / μm), restringindo as aplicações a uma pequena escala.
Em 2018, O grupo de pesquisa do professor Shanhui Fan na Universidade de Stanford projetou um material de índice zero de cone de Dirac de baixa perda baseado em estados ligados protegidos por simetria no continuum (BICs). Contudo, este cone de Dirac consiste em modos de alta ordem, portanto, é um desafio homogeneizar a placa de cristal fotônico como um meio de índice zero em massa.
Em um novo artigo publicado em Ciência leve e aplicações , uma equipe de cientistas, liderado pelo Professor Yang Li do Departamento de Instrumentos de Precisão da Universidade Tsinghua, China, Professor Eric Mazur, da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas John A. Paulson da Universidade de Harvard, os EUA, Professor Weiguo Chu do Laboratório de Nanofabricação do Centro Nacional de Nanociência e Tecnologia, China, e colegas de trabalho alcançaram um projeto de índice zero baseado em uma placa de cristal fotônico puramente dielétrico (placa PhC). Este projeto suporta uma degenerescência acidental do cone de Dirac de um modo monopolo elétrico e um modo dipolo magnético no centro da zona de Brillouin. Esse design baseado em modo de baixa ordem pode ser melhor tratado como um meio homogêneo de índice zero.
uma, Esquema tridimensional de uma laje de PhC de índice zero e sua célula unitária, consistindo em pilares de silício embutidos em dióxido de silício. b, Varredura de parâmetro para projeto de uma laje de PhC de índice zero BIC. Fator de qualidade do modo dipolo (mapa colorido) e degenerescência dos modos monopolo e dipolo no centro da zona de Brillouin (linha branca) em função do raio e altura do pilar. O ponto vermelho indica a degenerescência de um modo monopolo e um modo dipolo de alto Q. c, Superfícies de dispersão tridimensional mostrando a dispersão Dirac-cone correspondendo aos parâmetros otimizados no ponto vermelho em (b). d, Índice efetivo e perda de propagação da laje de PhC. Quando a parte real do índice efetivo cruza zero, a curva de perda atinge seu vale (~ 0,15 dB / mm), indicando um índice zero de perda ultrabaixa. Crédito:Tian Dong, Jiujiu Liang, Philip Camayd-Muñoz, Yueyang Liu, Haoning Tang, Shota Kita, Peipei Chen, Xiaojun Wu, Weiguo Chu, Eric Mazur, e Yang Li
Seu design consiste em uma matriz quadrada de pilares de silício embutidos na matriz de fundo de dióxido de silício, apresentando uma fabricação fácil usando processos planares padrão. Para reduzir a perda de radiação, eles modelam as interfaces superior e inferior de uma placa de PhC de índice zero como dois espelhos parcialmente reflexivos para formar uma cavidade de Fabry-Pérot (FP). Então, eles ajustam a espessura desta cavidade FP para induzir interferência destrutiva de radiações ascendentes (descendentes) no campo distante. Dentro de cada pilar, existem modos de propagação axial com simetria dipolo mostrando uma fase de ida e volta de um múltiplo inteiro de 2π, portanto, tornando-se modos capturados por ressonância. O modo monopolo não irradia na direção fora do plano devido à sua simetria de modo intrínseca.
"Nosso projeto exibe uma perda de propagação no plano tão baixa quanto 0,15 dB / mm no comprimento de onda de índice zero. o índice de refração é próximo a zero (| neff | <0,1) em uma largura de banda de 4,9%, "Tian Dong declarou.
a-b, A laje de PhC é excitada por um incidente de onda plana da esquerda. Sob as condições dos BICs, a luz incidente pode se propagar por uma longa distância com pouca perda. Contudo, sem BICs, o campo elétrico decai acentuadamente na extremidade de entrada da laje de PhC. CD, Um dipolo elétrico no centro da placa de PhC de índice zero BIC irradia omnidirecionalmente sobre uma grande área. Contudo, um dipolo elétrico no centro da placa de PhC de índice zero sem BICs pode irradiar apenas sobre uma pequena área. Crédito:Tian Dong, Jiujiu Liang, Philip Camayd-Muñoz, Yueyang Liu, Haoning Tang, Shota Kita, Peipei Chen, Xiaojun Wu, Weiguo Chu, Eric Mazur, e Yang Li
Para aplicativos, Yueyang Liu prevê:"nossas placas BIC Dirac-cone de índice zero PhC no chip fornecem um comprimento de coerência infinito com baixa perda de propagação. Isso abre a porta para aplicações de materiais de índice zero de grande área em óptica linear e não linear, bem como lasers. Por exemplo, tunelamento de energia eletromagnética através de um guia de onda de índice zero com uma forma arbitrária, geração de luz não linear sem incompatibilidade de fase ao longo de um longo comprimento de interação, e lasing em uma grande área em um único modo. "
"Este trabalho também pode servir como um laboratório on-chip para explorar a óptica quântica fundamental, como geração eficiente de pares de fótons emaranhados e emissão coletiva de muitos emissores. Particularmente, porque a distribuição espacial de Ez em cada pilar de silício oscila entre um modo monopolo e um modo dipolo conforme o tempo passa, todos os emissores quânticos dentro dos pilares experimentarão a mesma fase espacial no semiciclo monopolo. Isso alivia significativamente o desafio do posicionamento preciso de emissores quânticos em uma cavidade fotônica, "Yueyang Liu acrescentou.
