El estudio explora el haz topológico de la luz

Los emisores de luz nanofotónicos son dispositivos compactos y versátiles con aplicaciones de gran alcance en física aplicada. En un nuevo informe publicado ahora el Avances de la cienciaKi Young Lee y un equipo de investigación en física e ingeniería en China y el Reino Unido, propusieron desarrollar una estructura de emisor de haz topológico de un tamaño de huella submicrónico y alta eficiencia, con capacidad de modelado de haz adaptable.

El dispositivo propuesto facilitó un emisor de microluz altamente deseable y eficiente para detectar una variedad de aplicaciones que incluyen pantallas, detección de luz de estado sólido, interconexiones ópticas y telecomunicaciones.

Fenómenos topológicos fotónicos

Los estados de interfaz topológica tienen una robustez notablemente alta frente a las perturbaciones ambientales con propiedades físicas únicas. Muchos investigadores en matemáticas y fotónica han investigado exhaustivamente los fenómenos topológicos fotónicos debido a su promesa en las telecomunicaciones, el procesamiento de datos y las aplicaciones de sensores.

En este estudio, Lee y sus colegas exploraron nuevas propiedades ópticas de campo lejano asociadas con no hermitiano fotónica topológica. Mostraron cómo un metasuperficie de unión topológica de dos rejillas de resonancia de modo guiado pueden servir como emisores de luz de escala submicrónica eficientes con alta eficiencia cuántica y capacidad de formación de haz adaptable.

Durante los experimentos, el equipo utilizó una unión que contenía dos rejillas resonantes de modo guiado distintas directamente adyacentes entre sí en ausencia de una apertura. En tales estructuras, la fuga Estado de Jackiw-Rebbi (JR) en el cruce; que corresponde a un modelo relativista históricamente importante— emitió un estrecho haz de luz. El proceso fue impulsado por el acoplamiento electrodinámico de cavidad cuántica y los efectos de canalización electromagnética. El equipo exploró una teoría fundamental de la emisión de haces topológicos y realizó rigurosos análisis numéricos durante el estudio.

Propiedades fundamentales del estado JR con fugas en una metasuperficie de unión topológica. (A) Esquema de una unión topológica que consta de dos rejillas de sublongitud de onda de película delgada diferentes. (B) Espectros de reflexión dependientes del ángulo para la celda unitaria izquierda en la fase topológica (izquierda), la celda unitaria derecha en la fase trivial (derecha) y su unión (centro). (C) Amplitud del campo eléctrico Ey del estado JR con fugas a la longitud de onda λJR = 633 nm. Usamos el método de elementos finitos (Comsol Multiphysics) para este cálculo. Crédito: Avances de la cienciadoi: 10.1126/sciadv.add8349

Radiación de fuga de un estado Jackiw-Rebbi (JR)

Lee et al. exploró el estado JR con fugas localizado en una metasuperficie de unión topológica fotónica, donde la estructura mantenía una película de alto índice. En condiciones específicas, la difracción de primer orden del estado JR condujo a una radiación de fuga del haz. hacia el fondo circundantelo que permite recopilar los rasgos característicos de la radiación de fuga durante el estudio.

Basándose en la emisión de haz angosto asociada con el estado JR con fugas, el equipo investigó las propiedades de emisión de las fuentes de luz cerca de la unión topológica. Ellos usaron el método de elementos finitos para calcular el patrón de radiación, que mostró un haz estrecho emitido en el campo lejano óptico. A continuación, el equipo reveló la posibilidad de diseñar una estructura apropiada, donde dos regiones de rejilla tendrían una masa de Dirac idéntica para lograr la simetría ideal del haz emitido.

Durante estos experimentos, la emisión de haz angosto de fuentes de luz isotrópicas siguió las propiedades de difracción exactas de la fuga de radiación del estado JR. El equipo también consideró fuentes externas para el efecto de transmisión propuesto, que lograron introduciendo modificaciones en la configuración experimental, incluido un índice de contraste reducido y guías de ondas multicapa acopladas verticalmente, entre otras modificaciones.

Canalización electromagnética y mejora Purcell de fuentes internas. (A) Distribución del flujo de potencia óptica (vector de Poynting promedio en el tiempo 〈S〉t; flechas rojas) para una unión topológica con un tamaño de banda prohibida g = 40 nm en referencia a la distribución de intensidad de campo cercano (densidad de nivel de gris). (B y C) Flujo de potencia óptica excitado por una sola fuente isotrópica a 1 y 2 μm de la unión (xP = 1 y 2 μm), respectivamente. (D) Distribución de intensidad de campo lejano dependiente de la posición de la fuente (xP) en un plano de observación 3,5 μm por encima de la superficie de la rejilla en función de xP. (E) Distribución del factor de Purcell en comparación con la distribución de intensidad de campo cercano asociada con el estado JR. Crédito: Avances de la cienciadoi: 10.1126/sciadv.add8349

Generación de haz de superficie plana por control de masa Dirac. (A) Distribución de masa m(x) de Dirac para la generación de vigas planas. Tiene tres mesetas en m′ = −0,634, 0 y +0,635 μm−1, y los perfiles de intensidad de estado JR asociados y los perfiles de haz emitido se trazan juntos como referencia. (B) Patrón de intensidad de campo eléctrico |Ey|2 del diseño de la estructura basado en la distribución de masa de Dirac en (A). La estructura del dispositivo en esta simulación tiene tres regiones de rejilla de diferentes factores de relleno en F = 0,264, 0,46 y 0,7, correspondientes a las tres mesetas de masa de Dirac. Crédito: Avances de la cienciadoi: 10.1126/sciadv.add8349

Conformación de haz adaptable

El concepto de formación de haz es importante para muchas aplicaciones generales de fuentes de luz. El efecto de haz topológico descrito proporciona la posibilidad de regular la forma del haz directamente desde la fuente. Los científicos describieron la Distribución masiva de Dirac necesarios para generar el perfil de haz esperado.

Por ejemplo, para generar un haz superior plano, se puede extender una región de masa Dirac cero, a lo largo del ancho deseado y alrededor de la unión del dispositivo. Los resultados de la regulación de masa de Dirac de resonancia de modo guiado pueden facilitar de manera eficiente las aplicaciones de modelado de haces.

panorama

De esta manera, Ki Young Lee y sus colegas propusieron una metasuperficie de unión topológica para una emisión de haz eficiente. Simularon las distribuciones de campo características de un estado Jackiw-Rabbi con fugas en la unión para lograr un haz de luz eficiente desde los emisores internos mediante la integración del acoplamiento electrodinámico cuántico de cavidad con efectos de canalización electromagnética.

La arquitectura propuesta es importante para la creación de emisores de microluz eficientes para una fuerte localización, alta eficiencia cuántica y capacidad de modelado de haz adaptable. Estas propiedades son importantes para numerosas aplicaciones, incluido el desarrollo de píxeles de visualización, mecanizado láser y aplicaciones de telecomunicaciones. Los dispositivos propuestos también son capaces de funcionar como detectores ópticos eficientes debido a su alcance de actuar como emisores invertidos en el tiempo, en principio. Los científicos proponen más optimizaciones de los resultados del estudio para desarrollar nuevos efectos ópticos y aplicaciones de dispositivos concomitantes para superar cualquier límite técnico existente.

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