Puls světla projde lidským vlasem za 74 femtosekund. To je 74 kvadriliontin sekundy. Interval je sotva znatelný. Vědci z Kalifornského technologického institutu (Caltech) však dosáhli nemožného: během této doby přesměrovali paprsek světla a použili světlo samotné jako řídicí signál.
Nejedná se o postupné zlepšení, ale o zásadní posun v přístupu k řízení fotonů. Nový metamateriálový povrch funguje bez pomalého elektronického relaxačního procesu, který brzdí současnou technologii. Tento průlom otevírá cestu k fotonickým systémům, které se vyhýbají elektrickým proudům ve prospěch čistě světelného zpracování. Představte si, že komunikace a senzory fungují rychlostí myšlenky. Hardware konečně dohání teorii.
Proč elektronické řazení naráží do zdi
Většina existujících zařízení ovládá světlo manipulací s elektrony. Přemýšlejte o displejích z tekutých krystalů nebo telekomunikačních čipech. Přesouvají elektrony do vyšších energetických stavů, aby změnily dráhu světla.
Zde nastává úzké hrdlo. Elektrony nezůstávají v excitovaném stavu. Potřebují se vrátit do původního stavu. Tím se uvolňuje energie. Toto období zotavení vytváří zpoždění. Uvízli jsme v rozsahu nanosekund nebo pikosekund. Triliontiny sekundy. Podle optických standardů je to pomalé.
Harry Atkiworth, profesor aplikované fyziky a materiálové vědy na Caltechu a člen nadace Howarda Hughese, to říká bez obalu: „Ovládání světla světlem je velmi obtížný problém…“ Světlo má tendenci ignorovat hmotu. Slabě se s ní stýká. Atkiwaterův tým ale změnil pravidla hry.
Používali optické metamateriály. Ultratenké desky, jejichž nanoinženýrská struktura tuto slabou interakci zesiluje. Účinnost se dramaticky zvýšila. Výsledek? Ovládání paprsku bez zpoždění.
Mechanismus pumpy a sondy
Atkiwaterova laboratoř hledala řešení pro elektronické zpoždění. Řešení? Odmítněte elektřinu. Místo toho použijte strukturovaný laserový pulz.
Říkají tomu „pumpa“. Bombarduje materiál intenzivním světlem. Tím se dočasně změní optické vlastnosti materiálu. Plovoucí změna (přechodná). Zmizí téměř okamžitě.
Pak přichází „sonda“. Stejnou oblastí prochází slabší paprsek. Vzor čerpání určuje směr sondy. Světlo ovládá světlo. Žádná elektronika. Žádné zpoždění.
To je založeno na optickém Kerrově efektu. Intenzivní paprsek mírně přemístí elektrony v rámci jejich orbitalů. Nepřecházejí na nové, stabilní energetické hladiny. Není nutná relaxace. Efekt začíná a končí impulsem. Čistý a rychlý proces.
Ale je tu nuance. Samotný Kerrův efekt je slabý. Příliš slabý na to, aby paprsek výrazně vychýlil pro praktické použití. Nemůžete řídit provoz, pokud jsou dopravní značky neviditelné.
Silové inženýrství v nanoměřítku
Pro zesílení slabého signálu vědci postavili složitou strukturu. Vytvořili metamateriál z amorfního křemíku. Tento povrch je pokryt sloupy o velikosti nanometrů. Jsou menší než vlnová délka samotného pulzu pumpy.
Vzdálenost a rozměry jsou přísně ověřeny. Způsobují krátkou cirkulaci světla uvnitř konstrukce. Místo okamžitého průchodu se světlo zpozdí. Jen na chvíli.
Obsah světla uvnitř zvyšuje změnu indexu lomu křemíku. Toto malé posunutí se stane dostatečnou silou k vychýlení paprsku sondy.
Čísla jsou úžasná. Dosáhli vychýlení o 13 stupňů za pouhých 74 femtosekund. Rychlost modulace dokonale odpovídala době trvání pulsu čerpadla. Zařízení drželo krok s laserem.
Kde je skutečně povolená rychlost?
Tak jak rychle to může jít? Zdá se, že problém není v zařízení. Limit proudu je určen samotnými laserovými pulzy. Kratší pulzy znamenají rychlejší přepínání. Pokud zkrátíte dobu trvání pulsu, systém s tím může držet krok.
To otevírá dveře odvážnějším konceptům. Dočasné krystaly. Syntetické optické materiály s časově proměnnými vlastnostmi. Tyto myšlenky byly kdysi teoretickými kuriozitami. Nyní máme nástroje k jejich testování.
Studie byla publikována v časopise Nature Nanotechnology. Vedoucí autor Claudio Heil, nyní na University of California, Berkeley, provedl tuto práci na Caltech. To slouží jako důkaz konceptu. Maják toho, čím se může fotonický počítač stát.
Přecházíme z doby, kdy elektronika diktuje tempo optiky. Světlo ovládá světlo. Rychlost je skutečná. Otázkou nyní není, zda to funguje. A co bude dál, až odstraníme všechna umělá omezení v systému.
