Avanço na manipulação da luz:revelando novos estados limitados por barreira finita
Fig. 1. Contra-intuitivamente, como mostram as inserções IV e V, um estado fica completamente preso por um material de banda proibida com uma espessura finita e muito pequena. Crédito:Light:Ciência e Aplicações (2024). DOI:10.1038/s41377-024-01417-1 Explorar a propagação e localização de ondas em vários meios tem sido um foco central em óptica e acústica. Especificamente, em fotônica e fonônica, os cientistas têm se dedicado a compreender e controlar o comportamento das ondas luminosas e sonoras em meios periódicos.
Com suas propriedades exclusivas de bandgap, os cristais fotônicos oferecem uma excelente plataforma para estudar a propagação e localização de ondas. Esses bandgaps, causados pela estrutura periódica do cristal, podem controlar a propagação das ondas e até mesmo inibir completamente as ondas em certas faixas de frequência.
Tradicionalmente, acreditava-se que os modos de contorno em cristais fotônicos são fortemente influenciados pelo tamanho do cristal (número de locais da rede). Foi geralmente assumido que estes modos são mais facilmente confinados em sistemas grandes (com muitos locais de rede), uma vez que a probabilidade de tunelamento diminui significativamente com o aumento do tamanho do sistema. Este fenômeno é crítico no projeto e implementação de dispositivos fotônicos de alto desempenho, particularmente na busca de alta integração e miniaturização de dispositivos.
Além disso, na pesquisa de cristais fotônicos, os estados ligados no contínuo (BICs) atraíram a atenção, pois revelam que certos modos únicos podem ser confinados em regiões específicas, mesmo no espectro contínuo. Este fenômeno fornece uma nova perspectiva para compreender e controlar a localização das ondas de luz. Apresenta grande potencial em aplicações práticas, como melhoria do desempenho e eficiência de dispositivos ópticos.
Nova pesquisa publicada em Light:Science &Applications propõe e confirma a existência de estados limitados por barreiras finitas. O espectro de um sistema normalmente consiste em espectros contínuos e discretos (painel esquerdo da Fig. 1). A sabedoria convencional sustenta que o espectro de autovalores dos estados ligados é discreto, enquanto os estados não ligados formam um espectro contínuo.
Por exemplo, em sistemas eletrônicos, se a energia da partícula for inferior à energia potencial no infinito, o estado está vinculado a um espectro discreto; enquanto partículas com energia superior à energia potencial se espalham, formando um espectro contínuo.
Para ondas de luz e som, estados discretos se formam devido às condições de contorno impostas por uma barreira, como um "bandgap". Esses estados discretos podem ser localizados inteiramente em condições ideais (largura de barreira infinita, Fig. 1-II). No entanto, quando a largura da barreira é finita, há uma probabilidade de o estado atravessar a barreira e se tornar um estado ressonante (Fig. 1-III).
Notavelmente, os estados ligados no continuum (BICs) estão espacialmente ligados dentro da faixa de energia/frequência do espectro contínuo (Fig. 1-I). Este estudo introduz um conceito contra-intuitivo paralelo aos BICs:certos estados podem ser ligados inteiramente em materiais bandgap muito finos, tornando-os incapazes de tunelar através do material bandgap (Fig. 1-IV e 1-V).
Fig. 2. a, Ilustração da configuração experimental para o caso de Ny =3. b, A estrutura da banda para Ny =3 (A região cinza é a estrutura de banda projetada). c – d, Estruturas de banda medidas (código de cores) e simuladas (linhas) para Ny =2 e 3, respectivamente. e – f, Distribuições de campo elétrico simuladas e experimentais para Ny =4 em uma frequência sem nó e em uma frequência com nó. Crédito:Light:Ciência e Aplicações (2024). DOI:10.1038/s41377-024-01417-1
O estudo demonstra pela primeira vez uma estrutura especial de faixa de cristal fotônico simétrica em espelho, onde a transição dos modos de limite pode ser controlada com precisão. Quando a largura do cristal fotônico (o número de locais da rede ao longo da direção y, Ny ) é pequeno, os modos de fronteira em ambos os lados interagem e se dividem em modos ímpares e pares (Fig. 2 a – d).
Em vetores de onda específicos (nós), a força de acoplamento dos modos de fronteira é zero. Mesmo que a largura (Ny ) do cristal fotônico é muito pequeno, o modo de limite não pode saltar de um lado para o outro do cristal fotônico (Fig. 2 e – f). Geralmente, acredita-se que muitos locais da rede são necessários para suprimir o acoplamento dos modos de fronteira. Ainda assim, este estudo desafia esta visão e abre um novo método para manipular o comportamento dos fótons em escala microscópica.
Seguindo a configuração anterior, os pesquisadores removeram um limite PEC do cristal fotônico, revelando uma nova configuração. Eles descobriram que os modos de limite restantes em vetores de onda nodais específicos estão totalmente presos, formando Estados Limites Habilitados por Barreira Finita no Continuum (FBICs).
Esses FBICs exibem propriedades de não radiação devido ao desacoplamento dos dois modos de fronteira. Nos nós, onde a força de acoplamento dos modos de contorno é zero, existe um estado com coeficiente de radiação zero quando um lado do PEC é removido, e sua frequência corresponde à frequência nodal encontrada no cenário PEC duplo, identificando-o como um FBIC.
Fig. 3. a, A foto da amostra com Ny =2 e a distribuição de amplitude do campo próprio no vetor de onda nodal. b, A estrutura da banda para Ny =2, o fator Q correspondente do modo limite, a definição do parâmetro geométrico η e os caracteres topológicos do FBIC. c – d, A distribuição de campo e características de atenuação dos modos de limite na segunda configuração. Crédito:Light:Ciência e Aplicações (2024). DOI:10.1038/s41377-024-01417-1
Além disso, alterando o dielétrico circular para elíptico para quebrar a simetria do espelho original e introduzindo um novo parâmetro geométrico η, o estudo definiu um número de enrolamento no espaço de parâmetros kx-η, revelando as características topológicas dos FBICs e confirmando esses modos como BICs ( Figura 3a–b).
Considerando a inevitável perda dielétrica em frequências de micro-ondas, o estudo validou experimentalmente os FBICs medindo a atenuação dos modos de contorno (Fig. 3 c – d), demonstrando a localização completa dos modos de contorno dentro de poucos locais de rede (Ny =2, 3, etc.), oferecendo uma nova abordagem para alcançar BICs.
Este estudo inovador explora novos fenômenos físicos em cristais fotônicos e alcança um controle preciso dos modos de contorno. Este trabalho não apenas fornece uma nova compreensão teórica do tunelamento e da delimitação dos modos de contorno em cristais fotônicos, mas também confirma a localização completa dos modos de contorno em vetores de onda específicos por meio de experimentos de micro-ondas, trazendo uma nova perspectiva ao campo da fotônica.
A pesquisa revela novos métodos para manipular o comportamento dos fótons, o que é significativo para o desenvolvimento de dispositivos fotônicos altamente integrados. Também oferece novas estratégias para o uso de cristais fotônicos para melhorar as interações luz-matéria, levando potencialmente a avanços na óptica não linear e nas interações entre luz e materiais bidimensionais. Essas descobertas podem inspirar pesquisas futuras, como a aplicação desses princípios a outros sistemas de ondas, como os cristais fonônicos.
