Світло не просто відбивається. Його можна перебудовувати, захоплювати та керувати ним на масштабах часу, які здаються вічністю для комп’ютера, але лише миттю для Всесвіту. Дослідники продемонстрували роботу першого у світі фотонного тимчасового кристалу.
Це не наукова фантастика. Це фізика, втілена з точністю, що лякає.
У статті, опублікованій у журналі Nature, описано повністю оптичну систему, в якій взаємодія світла та речовини перенесена в незвідану терагерцеву область. Змінюючи оптичні властивості за пікосекунди – мільярдну частку мільярдної частки секунди – команда відчинила двері для надшвидких оптичних обчислень.
Не йдеться про створення більш швидких центральних процесорів. Йдеться про контроль фундаментальної поведінки фотонів способами, які раніше були неможливими.
Подолання терагерцового розриву
Електронні компоненти упираються у стіну. На найвищих частотах вони відстають. Фотони швидше, але маніпуляції з ними в терагерцовому діапазоні давно вважалися «святим граалем» оптичної фізики.
«Терагерцовий діапазон є межею між електронними і фотонними технологіями… Це область, повна можливостей… але досі недостатньо розвинена».
— Янніс Лаплас, Політехнічна школа (École Polytechnique)
Терагерцова частота знаходиться між мікрохвильами та інфрачервоним випромінюванням. Вона в 1000 разів швидше за стандартні електронні сигнали. Саме тут матерія розкриває свої секрети. Але досі нам не вистачало інструментів для ефективного керування світлом у цій зоні.
Рішення? Матеріал, який змінює свої властивості у просторі, а й у часі.
Від статичних грат до динамічних кристалів
Звичайні фотонні кристали — це наноструктуровані матеріали з візерунками, що повторюються. Подібно до того, як напівпровідникові грати керують електронами, ці структури керують фотонами. Ви задаєте геометрію – отримуєте результат. Після створення правила залишаються незмінними.
Температурні зрушення. Магнітні поля. Незначні коригування. Але сама структура залишається статичною.
Новий підхід ламає цей шаблон.
Фотонний часовий кристал як формує світло у просторі, а й у часі. Його оптичні властивості – відбивна здатність, резонанс – швидко змінюються протягом пікосекунд. Поведінка матеріалу осцилює з тією самою частотою, як і саме світло.
Це новий вимір контролю.
“Розширюючи фотонні кристали від простору до часу, ми відкриваємо новий шлях до посилення та генерації лазера”, – говорить Тінвен Го, провідний автор статті та аспірант Політехнічної школи. “Це може стати переломним моментом”.
Інженерний кошмар
Створення цього вимагало влаштування настільки специфічного і тендітного, що воно межує з абсурдом.
Команда, що складається з дослідників з Політехнічної школи, Колеж де Франс та Центру досліджень Гельмгольця у Дрездені-Россендорфі (HZDR), створила плазмонний метаматеріал. Він складний.
Золоті візерунки: Мікронні зубчасті структури.
* Підкладка: Ізолюючий шар поверх напівпровідника з антимоніду індію.
* Пастка: Золото формує порожнини, які утримують фотони.
Коли поверхня напівпровідника збуджується, електрони рухаються, як колективна хвиля. Це поверхневі плазмони. Вони захоплюють світло. Вони тримають його.
Але утримувати замало. Потрібно змінювати його. Швидко.
Живлення системи через TELBE
Не можна тестувати пікосекундні зміни за допомогою ліхтарика.
Дослідникам були потрібні високоінтенсивні, фазово-стабільні імпульси. Вони виявили їх у системі TELBE — надпровідному терагерцовом джерелі з урахуванням прискорювальної установки ELBE в HZDR.
Вони опромінювали метаматеріал терагерцовими лазерними імпульсами. Результат був миттєвим. Відбивна здатність матеріалу різко змінилася. Ефект був масштабним. Таймінг – миттєвим.
“Унікальна здатність TELBE… була критично важлива”, – зазначає Ян-Крістоф Дайнерт, координатор TELBE. “Без цієї інфраструктури досягнення когерентної надшвидкої модуляції… було б неможливим”.
Найменші втрати світла
Тут фізика стає особливо цікавою.
Зазвичай фотони поглинаються. Розсіюються. Зникають, перетворюючись на тепло. У стандартному метаматеріалі ефективність – це постійна боротьба.
У режимі фотонного тимчасового кристала диссипація (втрати) знизилася вдвічі.
Більше фотонів залишилося захопленим. Найменше пройшло крізь втрати. Марко Широ з Колеж де Франс підтвердив результати теоретичної моделі, яка ідеально збіглася з експериментальними даними. Теорія як пояснила, що сталося. Вона надала план масштабування технології.
«Теорія як відтворює експеримент, а й є основою напряму майбутніх відкриттів».
Чому це важливо для вас (у перспективі)
Можливо, ви не придбаєте терагерцову камеру вже завтра. Але наслідки цієї технології поширюються далеко за межі лабораторій.
Швидкі оптичні обчислення. Просунута телекомунікація. Лазери, здатні практично миттєво змінювати свій «колір».
Наступний крок простий, але складний: подальше зниження втрат фотонів. Посилення сигналу. Якщо дослідникам вдасться захопити достатньо фотонів, то система стане джерелом лазера. Налаштовується. Здібним змінювати властивості на вимогу.
Медична візуалізація? Зв’язок? Системи безпеки? Терагерцевий діапазон зможе забезпечити все це швидше та розумніше, ніж поточні технології.
Ми більше не просто спрямовуємо світло. Ми їм командуємо. В реальному часі. За пікосекунди.
Розрив між електронікою та фотонікою скорочується. І це відбувається у тиші.
