پژوهشگران آزمایشگاه ملی لورنس برکلی با همکاری همتایان خود در دانشگاه کالیفرنیا موفق شدند کوچک‌ترین حفره نوری سه بعدی جهان را با پتانسیل تولید پرتوهای نانولیزری با شدت بالا تولید کنند. از این حفره نوری منحصر به‌فرد که دارای خواص الکترومغناطیسی غیرمعمول است می‌توان در حوزه‌های مختلف از جمله، اپتیک کوانتومی، اپتیک غیرخطی، LED، حسگری نوری و مدارات متجمع فتونیک استفاده کرد.
ساخت حفره نوری نانومقیاس سه بعدی از مواد مصنوعی
با تغییر لایه‌های چندگانه بسیار نازک از جنس ژرمانیوم و نقره، پژوهشگران موفق شدند “موادمصنوعی نامحدود” بسازند و با کمک آن یک حفره نوری سه بعدی را تولید کردند. در مواد طبیعی، نور به شکلی رفتار می‌کند که جهت پخش شدن آن اهمیتی ندارد. اما در مواد مصنوعی نامحدود، نور در برخی جهت‌ها بازگشت دارد که به آن انعکاس منفی گویند. با استفاده از این ویژه مواد مصنوعی نامحدود، می‌توان حفرههای سه بعدی نوری بسیار کوچک تولید کرد به‌طوری که ابعاد آن تا مقادیر نانومتری کوچک شوند. این حفره می‌تواند بزرگترین ضریب شکست گزارش شده در جهان را ایجاد کند.
نتایج این تحقیق در قالب مقاله‌ای تحت عنوان Experimental realization of three-dimensional indefinite cavities at the nanoscale with an anomalous scaling law در نشریه Nature Photonics به چاپ رسیده است.
ژانگ از نویسندگان این مقاله می‌گوید پروژه‌ای که ما روی آن کار کردیم، راهبرد جدیدی برای طراحی حفرههای نانومقیاس محسوب می‌شود. با استفاده از مواد مصنوعی، ما نشان دادیم که فیزیک پیچیده حفره‌ها می‌تواند منطق رایج را درهم بشکند. برای مثال فاکتور کیفیت مود نور ما با کاهش ابعاد حفره، افزایش می‌یابد. این نتایج فرصت بسیاری خوبی مهیا می‌کند تا ادوات نوری مخابراتی با عملکرد بالا بسازیم.
حفرههای نوری قطعات اصلی بیشتر لیزرها را تشکیل می‌دهند. نوری که در یک حفره نوری به‌دام می‌افتد، میان دو آیینه مقابل هم انعکاس یافته و در نهایت یک موج با فرکانس رزونانس ویژه ایجاد می‌کند. با این روش می‌توان پرتوهای لیزر تولید کرد. حفرههای نوری با استفاده از مواد طبیعی ساخته می‌شود این مواد نباید کوچکتر از طول موج نور باشند. اما مواد مصنوعی رفتار متفاوتی دارند.
ژیاودونگ یانگ از دیگر نویسندگان این مقاله می‌گوید به‌دلیل ضریب شکست غیرمعمول مواد مصنوعی، حفره سه بعدی ما می‌تواند از یک دهم طول موج نور هم کوچکتر باشد. در مقیاس‌نانو، حفرههای نوری مودهای نوری را در فضای بسیار کوچکی محدود می‌کنند که با این کار دانسیته حالت‌های فوتون افزایش یافته و در نتیجه برهمکنش میان نور و ماده بیشتر می‌شود.
