Een lichtpuls doorkruist een mensenhaar in 74 femtoseconden. Dat is 74 biljardsten van een seconde. Het is nauwelijks een interval. Toch hebben onderzoekers van Caltech het onmogelijke gedaan. Ze richtten een straal binnen dat exacte tijdsbestek opnieuw, waarbij ze het licht zelf als stuursignaal gebruikten.
Dit is geen stapsgewijze vooruitgang. Het is een fundamentele verandering in de manier waarop we met fotonen omgaan. Het nieuwe meta-oppervlak werkt zonder de trage elektronische ontspanning waar de huidige technologie last van heeft. Deze doorbraak maakt de weg vrij voor fotonische systemen die elektrische stromen achterwege laten voor zuivere, op licht gebaseerde verwerking. Stel je voor dat communicatie en sensoren bewegen met de snelheid van het denken. De hardware haalt eindelijk de theorie in.
Waarom elektronisch schakelen tegen een muur stuit
De meeste bestaande apparaten sturen licht door met elektronen te knoeien. Denk aan liquid crystal schermen of telecomchips. Ze duwen elektronen naar hogere energietoestanden om het pad van het licht te veranderen.
Hier ligt het knelpunt. Elektronen blijven niet zomaar zitten. Ze moeten terugvallen naar hun oorspronkelijke staat. Ze geven energie vrij. Die herstelperiode zorgt voor vertraging. We zitten vast in het rijk van nanoseconden of picoseconden. Biljoenste van een seconde. Langzaam volgens optische normen.
Harry Atwater, Howard Hughes hoogleraar Toegepaste Natuurkunde en Materiaalwetenschappen bij Caltech, zei het botweg: “Licht sturen met licht is een hele uitdaging…” Licht negeert materie meestal. Het interageert zwak. Maar het team van Atwater veranderde het spel.
Ze gebruikten optische meta-oppervlakken. Ultradunne vellen nano-engineered om die zwakke interactie te versterken. De efficiëntie is gestegen. Het resultaat? U krijgt de leiding zonder te wachten.
Het pomp- en sondemechanisme
Het laboratorium van Atwater zocht naar een maas in de elektronische vertraging. De oplossing? Sluit elektriciteit af. Gebruik in plaats daarvan een laserpuls met patroon.
Ze noemen het de ‘pomp’. Het straalt het materiaal met intens licht. Hierdoor verandert tijdelijk het optische gedrag van het materiaal. Het is een vluchtige verandering. Bijna weg voordat je met je ogen knippert.
Vervolgens komt de ‘sonde’. Een zwakkere straal reist door dezelfde plek. Het patroon van de pomp bepaalt waar de sonde naartoe gaat. Licht stuurt licht. Geen elektronica. Geen vertraging.
Het is afhankelijk van het optische Kerr-effect. Een intense straal verschuift elektronen binnen hun orbitalen. Slechts een klein beetje. Ze gaan niet naar nieuwe, stabiele energieniveaus. Geen ontspanning nodig. Het effect begint en eindigt met de puls. Schoon. Snel.
Maar er is een addertje onder het gras. Het Kerr-effect is inherent zwak. Te zwak om een balk significant te buigen voor praktisch gebruik. Je kunt het verkeer niet sturen als de verkeersborden onzichtbaar zijn.
Technische kracht op nanoschaal
Om het zwakke signaal te repareren, hebben de onderzoekers iets ingewikkelds gebouwd. Ze vormden amorf silicium tot een meta-oppervlak. Dit oppervlak is bedekt met pilaren op nanoschaal. Kleiner dan de golflengte van het pomplicht zelf.
De afstanden en afmetingen zijn nauwkeurig. Ze dwingen het licht om kort binnen de structuur te circuleren. In plaats van er onmiddellijk doorheen te gaan, blijft het licht hangen. Gewoon even.
Door het licht binnen te houden, wordt de verandering van de brekingsindex in het silicium versterkt. Die kleine verschuiving wordt een kracht die sterk genoeg is om de sondestraal af te buigen.
De cijfers zijn onthutsend. Ze bereikten een afbuiging van 13 graden in slechts 74 femtoseconden. De modulatiesnelheid kwam perfect overeen met de pomppulsduur. Het apparaat hield gelijke tred met de laser.
Waar de snelheidslimiet eigenlijk ligt
Dus, hoe snel kan het gaan? Het apparaat lijkt niet het probleem te zijn. Het huidige plafond wordt bepaald door de laserpulsen zelf. Kortere pulsen betekenen sneller schakelen. Als u de pulsduur verlaagt, blijft het systeem bij.
Dit opent deuren naar wildere concepten. Tijd kristallen. Synthetische tijdsvariërende optische materialen. Deze ideeën waren ooit theoretische curiosa. Nu hebben we de tools om ze te testen.
Het onderzoek is gepubliceerd in Nature Nanotechnology. Hoofdauteur Claudio Hail, nu bij UC Berkeley, voerde het werk uit terwijl hij bij Caltech werkte. Het dient als proof-of-concept. Een baken voor wat fotonisch computergebruik zou kunnen worden.
We zijn voorbij het tijdperk waarin elektronica het tempo van de optica dicteert. Het licht bestuurt het licht. De snelheid is reëel. De vraag is nu niet of het werkt. Het is wat er vervolgens gebeurt als we elke kunstmatige rem in het systeem verwijderen.
