五年前，斯坦福大学博士后学者Momchil Minkov遇到了一个他不耐烦解决的谜题。他的非线性光学领域的核心是将光从一种颜色转换为另一种颜色的设备 - 这一过程对于电信，计算和基于激光的设备和科学中的许多技术都很重要。但是明科夫想要一种既可以捕捉两种颜色光的装置，也是一项复杂的壮举，可以极大地提高这种变光过程的效率 - 而且他希望它是微观的。
“我在意大利帕维亚大学的Dario Gerace第一次接触到这个问题，而我正在瑞士攻读博士学位。当时我试图研究它，但这很难，”Minkov说。“从那以后，它一直在我的脑海里。有时，我会向我所在领域的某个人提及它，他们会说这几乎是不可能的。”
为了证明几乎不可能仍然存在，斯坦福大学电气工程教授Minkov和Shanhui Fan制定了一个非传统的两部分形式的晶体结构指南。其解决方案的细节于8月6日在Optica发布，Gerace作为合着者。现在，该团队开始构建其理论化结构，用于实验测试。
限制光线的配方
任何遇到绿色激光指示器的人都会看到非线性光学系统。该激光指示器的内部，一个晶体结构的激光转换光从红外到绿色。(绿色激光更容易让人看到，但制造绿色激光的组件不太常见。)这项研究旨在实现类似的波长减半转换，但是在更小的空间内，这可以导致能量的大幅提升由于光束之间复杂的相互作用而产生的效率。
该团队的目标是使用光子晶体腔强制两个激光束共存，光子晶体腔可以将光聚焦在微观体积中。然而，现有的光子晶体腔通常仅限制一个波长的光，并且它们的结构高度定制以适应该一个波长。
因此，这些研究人员设计了一种结构，它结合了两种不同的方式来限制光线，一种用于固定红外光，另一种用于保持绿色，而不是制造一个统一的结构来完成所有这些，所有这些仍包含在一个微小的晶体中。
“使用不同的方法来容纳每个灯光比使用一个机制更容易两个频率，在某种意义上，它与人们认为他们需要做的完全不同，以实现这一壮举，”范说。
在梳理了两部分结构的细节之后，研究人员列出了四个条件，这些条件应该引导同事建立一个能够容纳两种截然不同波长的光的光子晶体腔。他们的结果更像是一个配方，而不是一个原理图，因为光操作结构对于许多任务和技术非常有用，而设计它们必须是灵活的。
“我们有一个通用的食谱，'告诉我你的材料是什么，我会告诉你需要遵循的规则，以获得一个非常小的光子晶体腔，并限制两个频率的光，'”明科夫说。
电脑和好奇心
如果电信频道是高速公路，则在不同波长的光之间翻转将等于快速变换车道以避免减速 - 并且一个保持多个频道的结构意味着更快的翻转。非线性光学对于量子计算机也很重要，因为这些计算机中的计算依赖于纠缠粒子的产生，纠缠粒子可以通过Fan实验室晶体中发生的相反过程形成，从而产生来自一个绿色粒子光的孪晶红色粒子。
设想他们工作的可能应用有助于这些研究人员选择他们将要学习的内容。但他们的动机也来自他们对挑战的渴望以及他们科学的错综复杂的陌生感。
“基本上，我们使用带孔的平板结构，通过安排这些孔，我们可以控制和保持光线，”范说。“我们按照十亿分之一米的速度移动并调整这些小孔，这标志着成功与失败之间的区别。这是非常奇怪的，无穷无尽的迷人。”
这些研究人员将很快在实验室中面对这些错综复杂的问题，因为他们开始构建他们的光子晶体腔用于实验测试。