Detección de nuevos casos de límites acotados.

Newswise – Explorar la propagación y localización de ondas en diferentes medios ha sido un enfoque fundamental en el campo de la óptica y la acústica. En concreto, en el campo de la fotónica y la acústica, los científicos han dedicado sus esfuerzos a comprender y controlar el comportamiento de las ondas de luz y sonido en medios periódicos. Gracias a sus propiedades únicas de banda prohibida, los cristales fotónicos proporcionan una plataforma excelente para estudiar la propagación y localización de ondas. Estas bandas prohibidas, resultantes de la estructura periódica del cristal, pueden controlar la propagación de ondas e incluso bloquear completamente las ondas en ciertos rangos de frecuencia. Tradicionalmente, se pensaba que los modos de contorno en los cristales fotónicos estaban fuertemente influenciados por el tamaño del cristal (número de sitios de la red). Generalmente se ha asumido que estos modos se limitan más fácilmente a sistemas grandes (con muchos sitios de red) donde la probabilidad de creación de túneles disminuye significativamente a medida que aumenta el tamaño del sistema. Este fenómeno es crucial en el diseño e implementación de dispositivos fotónicos de alto rendimiento, especialmente en la búsqueda de una alta integración y miniaturización de dispositivos. Además, en la investigación de cristales fotónicos, los estados ligados en serie (BIC) han atraído la atención porque revelan que algunos modos únicos pueden confinarse dentro de regiones específicas incluso en el espectro continuo. Este fenómeno proporciona una nueva perspectiva para comprender y controlar la ubicación de las ondas de luz. Muestra un gran potencial en aplicaciones prácticas, como la mejora del rendimiento y la eficiencia de dispositivos ópticos.

este investigación (https://doi.org/10.1038/s41377-024-01417-1) propone y confirma de manera innovadora la existencia de situaciones restringidas por barreras limitadas. El espectro del sistema normalmente consta de espectros continuos y discretos (panel izquierdo de la Figura 1). La sabiduría convencional sostiene que el espectro de valores propios de estados correlacionados es discreto, mientras que los estados no correlacionados forman un espectro continuo. Por ejemplo, en los sistemas electrónicos, si la energía de una partícula es menor que la energía potencial en el infinito, el estado se asocia a un espectro discreto; Mientras que las partículas con energía superior a la energía potencial se dispersan para formar un espectro continuo. Para las ondas de luz y sonido, los estados discretos se forman debido a las condiciones de contorno impuestas por una barrera, como una «banda prohibida». Estos estados totalmente discretos pueden ubicarse en condiciones ideales (ancho de barrera infinito, Figura II-1). Sin embargo, cuando el ancho de la barrera es limitado, existe la posibilidad de que el estado atraviese la barrera y se convierta en un estado resonante (Figura III-1). En particular, los estados ligados en el continuo (BIC) están correlacionados espacialmente dentro del rango de energía/frecuencia del espectro del continuo (Figura 1-I). Este estudio introduce un concepto contrario a la intuición paralelo a los BIC: ciertos estados pueden unirse completamente a materiales de banda prohibida muy delgados, lo que los hace incapaces de atravesar el material de banda prohibida (Figuras 1-IV y 1-V).

El estudio describe primero una estructura especial de bandas de cristal fotónico simétrico en espejo en la que se puede controlar con precisión la transición de los modos límite. Cuando el ancho del cristal fotónico (el número de sitios de la red a lo largo de la dirección y, Ny) es pequeño, los modos límite en ambos lados interactúan y se dividen en modos pares e impares. (Foto 2anuncio) En ciertos vectores de onda (nodos), la fuerza de acoplamiento de los modos límite es cero. Incluso si el ancho (Ny) del cristal fotónico es muy pequeño, el modo límite no puede saltar de un lado al otro del cristal fotónico. (Foto 2ef) En general, se cree que se necesitan varios sitios de red para suprimir el acoplamiento de modos límite. Sin embargo, este estudio desafía esta visión y abre una nueva forma de manipular el comportamiento de los fotones a nivel microscópico.

Siguiendo la configuración anterior, los investigadores eliminaron uno de los límites PEC del cristal fotónico, revelando una nueva configuración. Descubren que los modos límite restantes en vectores de ondas nodales específicos están completamente atrapados, formando estados de confinamiento en continuo habilitados por barreras finitas (FBIC). Estos FBIC exhiben propiedades no radiativas debido a la separación de los dos modos límite. En los nodos, donde la fuerza de acoplamiento de los modos límite es cero, existe un estado con coeficiente de radiación cero cuando se elimina un lado del PEC, y su frecuencia coincide con la frecuencia nodal encontrada en el escenario de doble PEC, definiéndolo como FBI. . Además, al cambiar el dieléctrico circular a elíptico para romper la simetría especular original e introducir un nuevo parámetro geométrico η, el estudio identificó un número en zigzag en el espacio de parámetros kx-η, revelando las propiedades topológicas de los FBIC y confirmando estos modos como BIC. . (Fig. 3papá) Dada la inevitable pérdida dieléctrica en las frecuencias de microondas, el estudio validó experimentalmente los FBIC midiendo la atenuación en los modos límite (Figura 3).CD), lo que demuestra la localización completa de los modos límite dentro de muy pocos sitios de red (Ny = 2, 3, etc.), lo que proporciona un nuevo enfoque para realizar BIC.

Este estudio pionero explora nuevos fenómenos físicos en cristales fotónicos y logra un control preciso de los modos límite. Este trabajo no solo proporciona una nueva comprensión teórica de la tunelización y localización de modos límite en cristales fotónicos, sino que también confirma la localización completa de modos límite en vectores de onda específicos a través de experimentos con microondas, aportando una nueva perspectiva al campo de la fotónica. La investigación revela nuevas formas de manipular el comportamiento de los fotones, lo cual es importante para el desarrollo de dispositivos fotónicos altamente integrados. También presenta nuevas estrategias para utilizar cristales fotónicos para mejorar las interacciones luz-materia, lo que puede conducir a avances en la óptica no lineal y las interacciones luz-materia 2D. Estos resultados pueden inspirar futuras investigaciones, como la aplicación de estos principios a otros sistemas ondulatorios, como los cristales fonónicos.

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Referencias

DOI

10.1038/s41377-024-01417-1

URL de origen original

https://doi.org/10.1038/s41377-024-01417-1

Información de financiación

Este trabajo cuenta con el apoyo del Plan de Investigación Conjunto de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales del Consejo de Subvenciones de Investigación de China y Hong Kong (NFSC-RGC) (Subvención No. 12321161645) y la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (Subvención No. 12274332, No. 12274330 ) y nº 12334015). El CTC cuenta con el apoyo del Consejo de Subvenciones de Investigación (RGC) de Hong Kong a través de la subvención AoE/P-502/20 y la Fundación Croucher (CAS20SC01). YL cuenta con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (subvenciones n.° 12174188 y n.° 11974176). DW también cuenta con el apoyo del Programa de Innovación del Conocimiento de Wuhan-Shuguang (Subvención No. 2022010801020125) y el Programa de Jóvenes Académicos Xiaomi de la Universidad de Wuhan.

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