Işığı dalga boyuyla karşılaştırılabilir bir hacim içinde odaklamak, çeşitli uygulamalar için gerekli olan önemli bir sorundur. AMOLF, TU Delft ve ABD’deki Cornell Üniversitesi’nden araştırmacılar, ışığı son derece küçük bir ölçekte yoğunlaştırmak için yeni bir yöntem ortaya koydular. Yaklaşımları fotonik kristalin benzersiz özelliklerini kullanıyor ve alternatif tekniklere kıyasla daha geniş bir dalga boyu aralığında etkili.
Araştırmacılar bulgularını 18 Nisan’da Science Advances dergisinde yayınladılar.
AMOLF Hakkında Kısa Bilgi
AMOLF, Hollanda’da yeni araştırma alanlarını başlatma ve bu alanların ulusal düzeyde gelişmesini sağlama konusunda önemli bir rol oynayan bir araştırma enstitüsüdür. Bu öncü rolü sayesinde başlatılan birçok araştırma yönelimi, zamanla kapsamlı ulusal araştırma programlarına dönüşmüştür.
2000 yılında Sistem Biyofiziği, 2005 yılında ise Nanofotonik Merkezi kurulmuş ve her ikisi de hızla büyüyerek Hollanda’da önemli araştırma temaları haline gelmiştir. 2012’de, Fotovoltaiklerde Işık Yönetimi üzerine bir FOM odak grubu başlatılmış ve bu girişim sırasıyla 2012, 2014, 2016 ve 2021 yıllarında kurulan dört yeni araştırma grubuyla genişletilmiştir.
2014’te başlatılan bir diğer araştırma yönelimi ise Tasarımcı Madde (Designer Matter) olmuştur. Bu alan da 2014, 2015 ve 2016 yıllarında kurulan yeni araştırma gruplarıyla desteklenmiştir.
AMOLF ayrıca, Hollanda’nın çip endüstrisinde kritik bir rol oynayan ASML firmasıyla akademik ortaklık çerçevesinde kurulan Gelişmiş Nanolitografi Araştırma Merkezinin (ARCNL) kuruluşunda öncülük etmiştir. Bu kamu-özel sektör iş birliği modeli, ülkedeki sanayi ve akademi arasında güçlü bir köprü kurmuştur.
Son dönemde AMOLF, araştırma portföyünü üç yenilikçi ve disiplinlerarası tema etrafında yeniden şekillendirmiştir:
- Sürdürülebilir Enerji Malzemeleri
- Maddesel Bilgi
- Otonom Madde
Bu yeni temaların gelişimi, son yıllarda kadroya katılan üç tenure-track araştırma lideri sayesinde büyük ölçüde ivme kazanmıştır: Kristina Ganzinger (2018), Wiebke Albrecht (2021) ve Marc Serra Garcia (2021).
Haberimize tekrardan dönersek;
Işığı Bir Çip Üzerinde Yoğunlaştıran Yeni Teknik
Işığın yoğunlaştırılması, kuantum iletişimi, optik sensörler ve çip üstü lazerler de dahil olmak üzere fotonik devrelerdeki çok sayıda teknik uygulama için çok önemlidir. AMOLF’tan Ewold Verhagen, “Bugüne kadar ışığı yoğunlaştırmak için iki temel strateji belirledik: optik boşluklar kullanmak veya ışığı yönlendiren dalga kılavuzları kullanmak” diyor.
“İlk yöntem, ışığın odaklanmasını veya konsantrasyonunu belirli bir dalga boyuyla sınırlayan rezonansı kullanıyor.” İkinci yaklaşım, kullanılan ışığın dalga boyundan önemli ölçüde daha büyük bir cihaz içinde olsa da, geleneksel bir merceğe benzer şekilde çalışır.
Cornell Üniversitesi’nden araştırmacılar tarafından önerilen teorik bir kavram, doktora adayı Daniel Muis ve meslektaşları tarafından ilk kez deneysel olarak doğrulandı. Yöntemin önemli bir unsuru fiziksel sistemin topolojisidir.
Muis şöyle açıklıyor: “Prensip olarak, silikon levha içinde ışık yayılımını engelleyen küçük açıklıkların sistematik bir düzenlemesini içeren silikon levhalar olan fotonik kristalleri kullanıyoruz.” Bununla birlikte, aynalı bir desen sergileyen iki kristal birbirine bitişik olarak konumlandırıldığında, arayüzlerinde bir dalga kılavuzu oluşuyor ve ışığın yalnızca bu sınırda yayılmasına izin veriyor. Bu tasarım, kristaldeki kusurların neden olduğu saçılma veya yansımayı en aza indiren ‘topolojik olarak korumalı’ ışık iletimi nedeniyle ayırt edicidir.
Araştırmacılar, bir dalga kılavuzunu ışık için aşılmaz bir malzeme bariyeriyle aniden sonlandırmanın sonuçlarını düşündüler. Muis, “Işığın çıkışı olmadığından ve yansımalar engellendiğinden, bu duvarın önünde birikmesi beklenir” diyor. “Işık nihayetinde, bir gecikmeden sonra da olsa dalga kılavuzundan geri yansıyor.” Bu da ışık alanının lokalize bir şekilde artmasına yol açar.
Işık Konsantrasyonu Artırmak
AMOLF grubu ve TU Delft‘teki Kobus Kuipers’in ekibi, Cornell’den araştırmacılarla ortak bir deney yaparak tahminleri doğrulamayı tercih etti. Topolojik dalga kılavuzları AMOLF’de bir silikon çip üzerinde üretildi. Muis, fotonik kristal içinde beklenen ışık birikimini görselleştirmek için TU Delft’te özel bir mikroskop kullandı ve kristal yüzeyinin üzerindeki ışık alanlarını taramak için ultra ince bir iğne kullandı. Bu mikroskop, bir insan saçının çapından yaklaşık 1.000 kat daha küçük bir ölçekte ışık yoğunluğunu tespit edebilir.
Topolojik dalga kılavuzunun ucuna yakın ışık alanında belirgin bir artış gözlemledik. Bu olgu yalnızca dalga kılavuzunun ucundaki ‘duvar’ belirli bir açıda konumlandırıldığında meydana geldi. Muis şöyle diyor: “Bu durum Cornell’deki ortaklarımız tarafından yapılan tahminlerle tam olarak örtüşüyor.”
Bu da ışık amplifikasyonunun geri yansımanın topolojik olarak engellenmesiyle ilişkili olduğunu gösteriyor. Işık amplifikasyonu, ışığın kendi dalga boyuyla karşılaştırılabilecek kadar küçük bir hacme odaklanıyor. Bu yaklaşımın birincil faydası, kendine özgü geniş bant yeteneğidir: birkaç dalga boyunda çalışır.
Muis ve Cornell’den meslektaşı Yandong Li tarafından ortaklaşa kaleme alınan Science Advances yayını, bu tür çip tabanlı ışık amplifikasyonunun gelecekteki araştırmaları veya uygulamaları için bir plan niteliğindedir. Sergilenen teknik benzer şekilde, yapılandırılmış bir ortamdaki ses dalgalarını ve özellikle kristallerdeki elektronları kapsayan her dalga türüyle ilgili olmalıdır.
Muis şöyle diyor: “Bir sonraki adım olarak, ışığın biriktiği süreyi incelemek, alan yükseltme maksimizasyonunun kapsamını belirlemek ve bunu optik çipler üzerinde ışık manipülasyonu uygulamalarında kullanmak için darbeli bir lazer kullanmak ilgi çekici olacaktır.”
Kaynak: phys.org/news/2025-04-mechanism-photonic-crystal-chip.html
