Hacia las aplicaciones: materiales de índice cero en chip de pérdida ultrabaja

Un índice de refracción de cero induce un vector de onda con amplitud cero y dirección indefinida. Por lo tanto, la luz que se propaga dentro de un medio de índice cero no acumula ningún avance de fase espacial, lo que da como resultado una coherencia espacial perfecta. Tal coherencia trae varias aplicaciones potenciales, incluyendo guías de onda de forma arbitraria, propagación no lineal sin desajuste de fase, láseres monomodo de área grande y superradiancia extendida. Una plataforma prometedora para lograr estas aplicaciones es un material de cono Dirac integrado que presenta un índice cero de impedancia igualada. Sin embargo, aunque esta plataforma elimina las pérdidas óhmicas a través de su estructura puramente dieléctrica, todavía conlleva una pérdida de radiación fuera del plano (aproximadamente 1 dB / μm), restringiendo las aplicaciones a una pequeña escala.

En 2018, el grupo de investigación del profesor Shanhui Fan en la Universidad de Stanford diseñó un material de índice cero de cono de Dirac de baja pérdida basado en estados enlazados protegidos por simetría en el continuo (BIC). Sin embargo, este cono de Dirac consta de modos de alto orden, por lo que es un desafío homogeneizar la losa de cristal fotónico como un medio de índice cero a granel.

En un nuevo artículo publicado en Ciencias de la luz y aplicaciones, un equipo de científicos, dirigido por el profesor Yang Li del Departamento de Instrumentos de Precisión de la Universidad de Tsinghua, China, el profesor Eric Mazur de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de la Universidad de Harvard, EE. UU., el profesor Weiguo Chu de Nanofabricación El laboratorio del Centro Nacional de Nanociencia y Tecnología, China, y sus colaboradores lograron un diseño de índice cero basado en una losa de cristal fotónico puramente dieléctrico (losa PhC). Este diseño admite una degeneración accidental del cono de Dirac de un modo monopolo eléctrico y un modo dipolo magnético en el centro de la zona de Brillouin. Este diseño basado en modos de bajo orden puede tratarse mejor como un medio homogéneo de índice cero.

Su diseño consiste en una matriz cuadrada de pilares de silicio incrustados en una matriz de fondo de dióxido de silicio, que presenta una fácil fabricación utilizando procesos planos estándar. Para reducir la pérdida de radiación, modelan las interfaces superior e inferior de una losa de PhC de índice cero como dos espejos parcialmente reflectantes para formar una cavidad Fabry-Pérot (FP). Luego, ajustan el grosor de esta cavidad FP para inducir una interferencia destructiva de radiaciones ascendentes (descendentes) en el campo lejano. Dentro de cada pilar, hay modos de propagación axial con simetría dipolo que muestran una fase de ida y vuelta de un múltiplo entero de 2π, convirtiéndose así en modos atrapados por resonancia. El modo monopolo no irradia en la dirección fuera del plano debido a su simetría de modo intrínseco.

“Nuestro diseño exhibe una pérdida de propagación en el plano tan baja como 0.15 dB / mm en la longitud de onda de índice cero. Además, el índice de refracción es cercano a cero (| neff |

Para las aplicaciones, Yueyang Liu predice: “nuestras losas de PhC de índice cero de cono Dirac BIC en chip proporcionan una longitud de coherencia infinita con baja pérdida de propagación. Esto abre la puerta a aplicaciones de materiales de índice cero de área grande en óptica lineal y no lineal así como láseres. Por ejemplo, la energía electromagnética forma un túnel a través de una guía de ondas de índice cero con una forma arbitraria, la generación de luz no lineal sin desajuste de fase en una interacción de larga duración y el láser en un área grande en un solo modo “.

“Este trabajo también puede servir como un laboratorio en chip para explorar la óptica cuántica fundamental, como la generación eficiente de pares de fotones entrelazados y la emisión colectiva de muchos emisores. Particularmente, porque la distribución espacial de Ez en cada pilar de silicio oscila entre un modo monopolo y un modo dipolo a medida que transcurre el tiempo, todos los emisores cuánticos dentro de los pilares experimentarán la misma fase espacial en el semiciclo monopolo. Esto alivia significativamente el desafío del posicionamiento preciso de los emisores cuánticos en una cavidad fotónica “, agregó Yueyang Liu.