Για δεκαετίες, η μικρογραφία φωτονικών συσκευών ήταν πολύ πιο δύσκολη από τη μικρογραφία ηλεκτρονικών εξαρτημάτων. Η πρόκληση έγκειται στη φυσική. Το φως δεν μπορεί εύκολα να περιοριστεί σε μια πολύ μικρή περιοχή επειδή η αρχή της αβεβαιότητας συνδέει τον περιορισμό του με το μήκος κύματός του. Στο ορατό και κοντά στο υπέρυθρο φως, αυτό το μήκος κύματος μπορεί να είναι χιλιάδες φορές μεγαλύτερο από το μήκος κύματος de Broglie που χρησιμοποιείται στα ηλεκτρονικά κυκλώματα. Ως αποτέλεσμα, τα φωτονικά τσιπ παρέμειναν σχετικά ογκώδη και τα συστήματα οπτικής απεικόνισης αντιμετώπισαν αυστηρά όρια ανάλυσης.
Οι επιστήμονες είχαν προηγουμένως εξερευνήσει την πλασμονική ως πιθανή λύση. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιεί μέταλλα για να συμπιέσει το φως σε περιοχές μικρότερες από το μήκος κύματός του. Ωστόσο, τα μέταλλα παράγουν σημαντική θερμότητα μέσω της διάχυσης ενέργειας, δημιουργώντας ένα σημαντικό εμπόδιο για αποτελεσματικές και επεκτάσιμες φωτονικές τεχνολογίες.
Το 2024, ερευνητές με επικεφαλής τον Ren-Min Ma του Πανεπιστημίου του Πεκίνου στην Κίνα εισήγαγαν μια σημαντική ανακάλυψη (η φύση 632, 287-293 (2024)). Η ομάδα ανέπτυξε αυτό που ονόμασαν εξίσωση μοναδικής σκέδασης, ένα νέο θεωρητικό πλαίσιο που δείχνει ότι το φως μπορεί να περιοριστεί σε εξαιρετικά μικρές κλίμακες χρησιμοποιώντας διηλεκτρικά υλικά χωρίς απώλειες αντί για μέταλλα. Επειδή η μέθοδος βασίζεται εξ ολοκλήρου στα διηλεκτρικά, αποφεύγει τις θερμικές απώλειες που περιορίζουν τα πλασμονικά συστήματα και θα μπορούσε να βοηθήσει στο άνοιγμα του δρόμου για συμπαγείς, ενεργειακά αποδοτικές φωτονικές συσκευές.
Ανακάλυψη της κυματικής συνάρτησης «ναρβαλικού σχήματος».
Σε μια πρόσφατα δημοσιευμένη εργασία ΑφρόκρεμαΗ ίδια ερευνητική ομάδα εξηγεί την προέλευση αυτού του ακραίου φωτός περιορισμού. Σύμφωνα με τους ερευνητές, αυτό προκύπτει από μια εντελώς νέα κατηγορία ηλεκτρομαγνητικών ιδιοτρόπων γνωστών ως κυματοσυναρτήσεις σε σχήμα Narhull.
Αυτή η ασυνήθιστη λειτουργία συνδυάζει δύο σημαντικές συμπεριφορές. Κοντά στη μοναδικότητα, το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο βιώνει μια τοπική ενίσχυση του νόμου ισχύος. Σε μεγαλύτερες αποστάσεις, το πεδίο αποσυντίθεται γρήγορα μέσω της παγκόσμιας εκθετικής αποσύνθεσης. Μαζί, αυτές οι ιδιότητες επιτρέπουν στο φως να συμπυκνώνεται και να συμπιέζεται πέρα από τα παραδοσιακά φυσικά όρια.
Χρησιμοποιώντας αυτή την ιδέα, η ομάδα σχεδίασε και έδειξε πειραματικά έναν τρισδιάστατο μονό διηλεκτρικό συντονιστή ικανό να περιορίζει το φως κάτω από το όριο σκέδασης σε τρεις χωρικές διαστάσεις.
Φωτεινός περιορισμός ρεκόρ
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μετρήσεις σάρωσης κοντινού πεδίου για να παρατηρήσουν άμεσα τη λειτουργία κυμάτων σε σχήμα narwhal σε δράση. Οι μετρήσεις τους δείχνουν ξεκάθαρα την προβλεπόμενη ανάπτυξη του νόμου ισχύος πιο κοντά στη μονάδα και την εκθετική αποσύνθεση πιο μακριά.
Οι πειραματικές παρατηρήσεις ταίριαξαν τόσο με θεωρητικές προβλέψεις όσο και με πλήρεις τρισδιάστατες προσομοιώσεις. Το σύστημα πέτυχε έναν εξαιρετικά μικρό όγκο λειτουργίας μόνο 5 × 10-7 μεγάλο3Αντιπροσωπεύει ένα εξαιρετικό επίπεδο περιορισμού φωτός.
Ένας νέος τύπος οπτικού μικροσκοπίου
Η ομάδα χρησιμοποίησε ακραίο εντοπισμό της λειτουργίας κύματος σε σχήμα narwhal για να αναπτύξει μια νέα τεχνική οπτικής μικροσκοπίας σάρωσης κοντινού πεδίου που ονομάζεται ενιαίο οπτικό μικροσκόπιο.
Διεγείροντας τους ιδιοτρόπους μιας ενιαίας διηλεκτρικής κοιλότητας, το μικροσκόπιο δημιουργεί ένα εξαιρετικά εντοπισμένο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο. Μικρές αλλαγές σε κοντινές δομές προκαλούν μετρήσιμες μετατοπίσεις συντονισμού, επιτρέποντας στο σύστημα να ανιχνεύει εξαιρετικά λεπτές λεπτομέρειες.
Οι ερευνητές επέδειξαν μια άνευ προηγουμένου χωρική ανάλυση λ/1000 και απεικόνισαν επιτυχώς μοτίβα βαθιάς υποκύματος με τους χαρακτήρες “PKU” και “SFM”.
Η άνοδος των «Cingulonics».
Η μελέτη δείχνει ότι η απλή εξίσωση σκέδασης παράγει κυματομορφές σε σχήμα Narhull ικανές να παγιδεύουν φως σε εξαιρετικά μικρές κλίμακες μέσα σε διηλεκτρικά υλικά χωρίς απώλειες.
Οι ερευνητές λένε ότι η ανακάλυψη αποτελεί τη βάση αυτού που αποκαλούν cingulonics, μιας νέας νανοφωτονικής δομής που επικεντρώνεται στον έλεγχο και τον περιορισμό του φωτός κάτω από τα συμβατικά όρια χωρίς σπατάλη ενέργειας. Η πρόοδος θα μπορούσε να υποστηρίξει εξαιρετικά αποδοτικές τεχνολογίες επεξεργασίας δεδομένων, να ανοίξει νέες ευκαιρίες στην κβαντική οπτική και να επεκτείνει τις δυνατότητες απεικόνισης υπερ-ανάλυσης.
