Světlo se nejen odráží. Dá se přeskupovat, zachytit a manipulovat na časových měřítcích, které se počítači zdají jako věčnost, ale Vesmíru jen okamžik. Vědci prokázali fungování prvního fotonického časového krystalu na světě.
To není sci-fi. To je fyzika provedená s děsivou přesností.
Článek publikovaný v časopise Nature popisuje plně optický systém, ve kterém je interakce světla a hmoty přenášena do neznámé terahertzové oblasti. Změnou optických vlastností během pikosekund – miliardtiny miliardtiny sekundy – tým otevřel dveře k ultrarychlým optickým výpočtům.
Nejde o vytváření rychlejších CPU. Jde o ovládání základního chování fotonů způsoby, které byly dříve nemožné.
Překlenutí terahertzové mezery
Elektronické součástky se opírají o zeď. Na vysokých frekvencích se zpožďují. Fotony jsou rychlejší, ale manipulace s nimi v terahertzovém rozsahu byla dlouho považována za „svatý grál“ optické fyziky.
“Terahertzová řada představuje hranici mezi elektronickými a fotonickými technologiemi… Je to oblast plná příležitostí… ale stále nedostatečně rozvinutá.”
– Yannis Laplace, École Polytechnique
Terahertzová frekvence je mezi mikrovlnami a infračerveným zářením. Je 1000krát rychlejší než standardní elektronické signály. Zde hmota odhaluje svá tajemství. Doposud jsme však postrádali nástroje, jak efektivně ovládat světlo v této oblasti.
Řešení? Materiál, který mění své vlastnosti nejen v prostoru, ale i v čase.
Od statických mřížek k dynamickým krystalům
Konvenční fotonické krystaly jsou nanostrukturní materiály s opakujícími se vzory. Stejně jako polovodičové mřížky řídí elektrony, tyto struktury řídí fotony. Určíte geometrii a získáte výsledek. Po vytvoření zůstanou pravidla nezměněna.
Teplotní posuny. Magnetická pole. Drobné úpravy. Samotná konstrukce však zůstává statická.
Nový přístup tento vzorec narušuje.
Photon Time Crystal vytváří světlo nejen v prostoru, ale také v čase. Jeho optické vlastnosti – odrazivost, rezonance – se rychle mění během pikosekund. Chování materiálu kmitá na stejné frekvenci jako samotné světlo.
Toto je nový rozměr ovládání.
„Rozšiřováním fotonických krystalů z prostoru na čas otevíráme novou cestu k laserovému zesilování a laserovému záření,“ říká Tingwen Guo, hlavní autor článku a postgraduální student na École Polytechnique. “Tohle by mohlo změnit hru.”
Inženýrská noční můra
Vytvoření tohoto vyžadovalo zařízení tak specifické a křehké, že to hraničí s absurditou.
Tým složený z výzkumníků z École Polytechnique, Collège de France a Helmholtz Center for Research Dresden-Rossendorf (HZDR) vytvořil plasmonický metamateriál. Je to složité.
- Zlaté vzory: Mikronové zubaté struktury.
- Podklad: Izolační vrstva na povrchu polovodiče indium antimonidu.
- Pasti: Zlato tvoří dutiny, které zachycují fotony.
Když je povrch polovodiče excitován, elektrony se pohybují jako kolektivní vlna. Jsou to povrchové plasmony. Zachycují světlo. Zdržují ho.
Ale vydržet nestačí. Musíme to změnit. Rychle.
Napájení systému přes TELBE
Pikosekundové změny nemůžete testovat baterkou.
Výzkumníci potřebovali vysoce intenzivní, fázově stabilní pulzy. Našli je v systému TELBE, supravodivém terahertzovém zdroji založeném na urychlovacím zařízení ELBE v HZDR.
Ozářili metamateriál pulzy terahertzového laseru. Výsledek byl okamžitý. Odrazivost materiálu se dramaticky změnila. Účinek byl masivní. Načasování je okamžité.
„Jedinečná schopnost TELBE… byla kritická,“ poznamenává Jan-Christoph Deinert, koordinátor TELBE. “Bez této infrastruktury by dosažení koherentní ultrarychlé modulace…by nebylo možné.”
Menší ztráta světla
Zde je fyzika obzvláště zajímavá.
Obvykle jsou fotony absorbovány. Rozptýlit. Mizí a mění se v teplo. Ve standardním metamateriálu je efektivita neustálým bojem.
V režimu fotonického časového krystalu se rozptyl (ztráty) snížil na polovinu.
Zůstalo zachyceno více fotonů. Méně jich prošlo ztrátami. Marco Schiro z Collège de France potvrdil výsledky teoretickým modelem, který dokonale odpovídal experimentálním datům. Teorie nejen vysvětlila, co se stalo. Poskytla plán na rozšíření technologie.
“Teorie nejen reprodukuje experiment, ale také slouží jako základ pro vedení budoucích objevů.”
Proč je to pro vás důležité (dlouhodobě)
Zítra si možná nebudete moci koupit terahertzovou kameru. Ale důsledky této technologie sahají daleko za hranice laboratoře.
Rychlejší optické výpočty. Pokročilé telekomunikace. Lasery, které dokážou změnit svou „barvu“ téměř okamžitě.
Další krok je jednoduchý, ale náročný: další snížení fotonových ztrát. Zesílení signálu. Pokud se vědcům podaří zachytit dostatek fotonů, systém se stane laserovým zdrojem. Přizpůsobitelné. Schopnost měnit vlastnosti na vyžádání.
Lékařské zobrazování? Spojení? Bezpečnostní systémy? To vše bude Terahertz schopen zajistit rychleji a chytřeji než současné technologie.
Už nejen ukazujeme světlo. Přikazujeme jim. V reálném čase. V pikosekundách.
Propast mezi elektronikou a fotonikou se uzavírá. A to se děje v tichosti.
