Licht stuitert niet zomaar. Het kan worden hervormd, gevangen en gemanipuleerd op een tijdschaal die voor een computer aanvoelt als een eeuwigheid, maar voor het universum als een knipoog. Onderzoekers hebben nu het eerste fotonische tijdkristal ter wereld gedemonstreerd.
Het is geen sciencefiction. Het is natuurkunde, uitgevoerd met angstaanjagende precisie.
De studie, gepubliceerd in Nature, beschrijft een volledig optisch systeem waarbij de interactie tussen licht en materie naar onbekend terahertz-gebied wordt geduwd. Door optische eigenschappen in picoseconden (het miljardste van een miljardste van een enkele seconde) te veranderen, heeft het team de deur geopend naar ultrasnel optisch computergebruik.
Dit gaat niet over het maken van snellere CPU’s. Het gaat over het beheersen van het fundamentele gedrag van fotonen op manieren die voorheen onmogelijk waren.
De Terahertz-kloof overbruggen
Elektronische componenten botsen tegen een muur. Bij hoge frequenties blijven ze achter. Fotonen zijn sneller, maar het manipuleren ervan in het terahertz-bereik is lange tijd een heilige graal van de optische fysica geweest.
“Het THz-bereik vertegenwoordigt de grens tussen elektronische fotonische technologieën… Het is een bereik vol mogelijkheden… maar is nog steeds onderontwikkeld.”
— Yannis Laplace, École Polytechnique
De terahertz-frequentie bevindt zich tussen microgolven en infrarood. Het is 1000 keer sneller dan standaard elektronische signalen. Het is ook de plek waar de materie haar geheimen prijsgeeft. Maar tot nu toe ontbrak het ons aan de middelen om het licht in deze zone effectief te controleren.
De oplossing? Een materiaal dat niet alleen in de ruimte verandert, maar ook in de tijd.
Van statische roosters tot dynamische kristallen
Conventionele fotonische kristallen zijn nanogestructureerde materialen met zich herhalende patronen. Net zoals halfgeleiderroosters elektronen controleren, controleren deze structuren fotonen. Jij stelt de geometrie in en je krijgt het resultaat. Eenmaal gebouwd, liggen de regels vast.
Temperatuurverschuivingen. Magnetische velden. Kleine aanpassingen. Maar de structuur zelf blijft statisch.
De nieuwe aanpak doorbreekt dat patroon.
Een fotonisch tijdkristal geeft licht niet alleen ruimtelijk vorm. Het geeft er tijdelijk vorm aan. De optische eigenschappen ervan (reflectiviteit en resonantie) veranderen snel over picoseconden. Het gedrag van het materiaal oscilleert op dezelfde frequentie als het licht zelf.
Het is een nieuwe dimensie van controle.
“Door fotonische kristallen uit de ruimte-tijd uit te breiden, openen we een nieuw pad naar versterking en laserwerking”, zegt Tingwen Guo, hoofdauteur en promovendus aan de École Polytechnique. “Dat zou een gamechanger kunnen zijn.”
De technische nachtmerrie
Om dit te bouwen was een apparaat nodig dat zo specifiek en zo delicaat was dat het grenst aan het absurde.
Het team – bestaande uit École Polytechnique, Collège deFrance en Helmholtz-ZentrumDresden-Rossendorf (HZDR) – construeerde een plasmonisch metamateriaal. Het is complex.
- Gouden patronen: Gekantelde structuren op micrometerschaal.
- Het substraat: Een isolatielaag bovenop een indium-antimoonhalfgeleider.
- De valstrik: Het goud vormt holtes die fotonen opsluiten.
Wanneer het halfgeleideroppervlak wordt geëxciteerd, bewegen de elektronen als een collectieve golf. Dit zijn oppervlakteplasmonen. Ze vangen licht op. Ze houden het vast.
Maar vasthouden is niet genoeg. Je moet het veranderen. Snel.
Het beest voeren met TELBE
Je kunt picosecondeveranderingen niet testen met een zaklamp.
De onderzoekers hadden fasestabiele pulsen met een hoog veld nodig. Ze vonden het in TELBE, een supergeleidende terahertzbron in de ELBE-versnellerfaciliteit van HZDR.
Ze vernietigden het metamateriaal met terahertz-laserpulsen. Het resultaat was onmiddellijk. De reflectiviteit van het materiaal veranderde dramatisch. Het effect was enorm. De timing was onmiddellijk.
“Het unieke vermogen van TELBE… was van cruciaal belang”, merkt Jan-Christoph Deinert, TELBE-coördinator op. “Zonder deze infrastructuur zou het bereiken van coherente, ultrasnelle modulatie… onmogelijk zijn geweest.”
Minder licht verliezen
Hier wordt de natuurkunde interessant.
Meestal worden fotonen geabsorbeerd. Ze verspreiden zich. Ze verdwijnen in de hitte. In een standaard metamateriaal is efficiëntie een voortdurend gevecht.
In het fotonische tijdkristalregime daalde de dissipatie met de helft.
Er bleven meer fotonen gevangen. Er gingen er minder verloren. Marco Schiró van Collège de France bevestigde de resultaten met een theoretisch model dat perfect overeenkwam met de experimentele gegevens. De theorie verklaarde niet alleen wat er gebeurde. Het bood een blauwdruk voor het opschalen ervan.
“De theorie reproduceert niet alleen het experiment, maar biedt ook de basis voor toekomstige ontdekkingen.”
Waarom dit voor u belangrijk is (uiteindelijk)
Misschien koop je morgen geen terahertz-camera. Maar de implicaties rimpelen naar buiten.
Sneller optisch computergebruik. Geavanceerde telecommunicatie. Lasers die vrijwel onmiddellijk hun eigen “kleur” kunnen veranderen.
De volgende stap is eenvoudig maar moeilijk: het fotonenverlies verder terugdringen. Versterk het signaal. Als de onderzoekers voldoende fotonen kunnen vangen, wordt het systeem een laserbron. Een verstelbare. Eén die eigenschappen op aanvraag kan afstemmen.
Medische beeldvorming? Communicatie? Beveiligingsscans? Het terahertz-assortiment kan het allemaal aan, sneller en slimmer dan de huidige technologie.
Wij zijn niet langer alleen maar leidend licht. Wij bevelen het. In realtime. In picoseconden.
De kloof tussen elektronica en fotonen wordt kleiner. En het gebeurt in het donker.
