Ученые из Института нанотехнологий MESA+ университета Твенте, Нидерланды, рассчитали новый тип так называемой резонансной полости, которая может служить своего рода «тюрьмой» для фотонов, ограничивающей свободу их перемещения. Эта резонансная полость ограничивает перемещение фотонов во всех трех измерениях благодаря структуре фотонного кристалла, внутри которого она создана, которая весьма похожа на структуру кристалла алмаза. Следует отметить, что такое ограничение свободы перемещения фотонов является достаточно обычным делом и используется в оптике, в коммуникационных технологиях и в исследованиях, связанных с естественными науками.

В оптике резонансные полости и резонансные впадины используются для хранения света в условиях ограниченного пространства в течение продолжительного времени.

Такое устройство обычно состоит из двух зеркал, разделенных слоем прозрачного материала. Свет, попадая в такое устройство, начинает двигаться внутри, поочередно отражаться от зеркал. И если длина волны света совпадает или кратна длине оптической полости, в ней, в этой полости возникает резонирующая стоячая волна.

Фотоны света обычно движутся в резонансной полости кристаллов, изготовленных по традиционным методам, по строго определенной траектории, что позволяет минимизировать утечку энергии при каждом отражении фотона от зеркала. Фотоны, падающие на зеркало под некоторыми углами, могут пройти сквозь зеркало и покинуть пределы резонатора.

Конструкция фотонного кристалла, разработанного голландской группой, позволяет фотонам двигаться по произвольной траектории за счет того, что этот кристалл сам по себе является зеркалом, эффективно отражающим фотоны во всех трех пространственных измерениях. За счет периодичности структуры кристалла возникает еще один интересный эффект, который запрещает проникать внутрь кристалла свету определенной длины волны, для такого света кристалл имеет зеркальную наружную поверхность, которая эффективно отражает только его, независимо от направления движения фотонов. По аналогии с электронными полупроводниками это эффект называется фотонной запрещенной зоной.

В пределах объема фотонного кристалла свет с запрещенной длиной волны может существовать в строго ограниченном небольшом объеме, там, где в структуру кристалла искусственно внедрен дефект. Этот дефект и выступает в роли оптического резонатора, окруженного «трехмерным» зеркалом, из которого не может убежать ни один фотон.

Следует отметить, что

подобные фотонные кристаллы могут быть созданы прямо в структуре кремниевых полупроводниковых чипов, изготавливаемых при помощи традиционных технологий.

Благодаря этому можно будет разрабатывать и изготавливать фотонно-электронные устройства, которые смогут хранить и обрабатывать информацию, захватывая в ловушки фотонных кристаллов фотоны, несущие эту информацию. А связь фотонного чипа с другими узлами вычислительной системы или электронного устройства, а так же с «внешним миром» может осуществляться при помощи традиционных электрических сигналов.