Impuls światła przechodzi przez ludzki włos w ciągu 74 femtosekund. To 74 biliardowe części sekundy. Przerwa jest ledwo wyczuwalna. Jednak badaczom z California Institute of Technology (Caltech) udało się dokonać niemożliwego: w tym czasie przekierowali wiązkę światła, wykorzystując samo światło jako sygnał sterujący.
Nie jest to stopniowa poprawa, ale zasadnicza zmiana w podejściu do kontroli fotonów. Nowa powierzchnia metamateriału działa bez powolnego procesu relaksacji elektronicznej, który hamuje obecną technologię. Ten przełom otwiera drogę do systemów fotonicznych, które rezygnują z prądu elektrycznego na rzecz przetwarzania opartego na czystym świetle. Wyobraź sobie komunikację i czujniki działające z prędkością myśli. Sprzęt w końcu dogania teorię.
Dlaczego elektroniczna zmiana przełożeń uderza w ścianę
Większość istniejących urządzeń kontroluje światło poprzez manipulację elektronami. Pomyśl o wyświetlaczach ciekłokrystalicznych lub chipach telekomunikacyjnych. Przenoszą elektrony w wyższe stany energetyczne, zmieniając drogę światła.
W tym miejscu pojawia się wąskie gardło. Elektrony nie pozostają w stanie wzbudzonym. Muszą wrócić do pierwotnego stanu. To uwalnia energię. Ten okres rekonwalescencji powoduje opóźnienie. Utknęliśmy w zakresie nanosekund lub pikosekund. Bilionowe części sekundy. Według standardów optycznych jest to powolne.
Harry Atkiworth, profesor fizyki stosowanej i materiałoznawstwa w Caltech oraz członek Fundacji Howarda Hughesa, ujmuje to bez ogródek: „Kontrolowanie światła za pomocą światła to bardzo trudny problem…” Światło ma tendencję do ignorowania materii. Słabo z nią współdziała. Ale zespół Atkiwatera zmienił zasady gry.
Wykorzystali metamateriały optyczne. Ultracienkie arkusze, których nanoinżynieryjna struktura wzmacnia tę słabą interakcję. Wydajność wzrosła dramatycznie. Wynik? Sterowanie wiązką bez opóźnień.
Mechanizm pompy i sondy
Laboratorium Atkiwatera poszukiwało rozwiązania problemu opóźnienia elektronicznego. Rozwiązanie? Odmawiaj prądu. Zamiast tego użyj strukturalnego impulsu laserowego.
Nazywają to „pompą”. Bombarduje materiał intensywnym światłem. Zmienia to tymczasowo właściwości optyczne materiału. Zmiana płynna (przejściowa). Znika niemal natychmiast.
Potem przychodzi „sonda”. Słabsza wiązka przechodzi przez ten sam obszar. Schemat pompowania określa kierunek sondy. Światło steruje światłem. Żadnej elektroniki. Bez opóźnień.
Opiera się to na optycznym efekcie Kerra. Intensywna wiązka nieznacznie przemieszcza elektrony w obrębie ich orbitali. Nie przechodzą na nowe, stabilne poziomy energetyczne. Nie wymaga relaksu. Efekt zaczyna się i kończy wraz z impulsem. Czysty i szybki proces.
Ale jest niuans. Sam efekt Kerra jest słaby. Zbyt słaby, aby znacząco odchylić wiązkę w celu praktycznego zastosowania. Nie można kierować ruchem, jeśli znaki drogowe są niewidoczne.
Inżynieria siłowa w nanoskali
Aby wzmocnić słaby sygnał, naukowcy zbudowali złożoną strukturę. Stworzyli metamateriał z amorficznego krzemu. Powierzchnia ta pokryta jest słupkami wielkości nanometrów. Są mniejsze niż długość fali samego impulsu pompy.
Odległość i wymiary są ściśle weryfikowane. Powodują krótką cyrkulację światła wewnątrz konstrukcji. Zamiast natychmiast przechodzić, światło jest opóźnione. Tylko na chwilę.
Zawierające światło wewnątrz zwiększa zmianę współczynnika załamania światła krzemu. To niewielkie przemieszczenie staje się siłą wystarczającą do odchylenia wiązki sondy.
Liczby są niesamowite. Osiągnęli odchylenie o 13 stopni w zaledwie 74 femtosekundy. Szybkość modulacji była idealnie dopasowana do czasu trwania impulsu pompy. Urządzenie dotrzymywało kroku laserowi.
Gdzie tak naprawdę jest ograniczenie prędkości?
Jak szybko może to nastąpić? Wygląda na to, że urządzenie nie stanowi problemu. Limit prądu jest ustalany na podstawie samych impulsów lasera. Krótsze impulsy oznaczają szybsze przełączanie. Jeśli skrócisz czas trwania impulsu, system będzie w stanie go dotrzymać.
Otwiera to drogę do odważniejszych koncepcji. Tymczasowe kryształy. Syntetyczne materiały optyczne o właściwościach zmiennych w czasie. Idee te były kiedyś ciekawostkami teoretycznymi. Teraz mamy narzędzia, aby je przetestować.
Badanie opublikowano w czasopiśmie Nature Nanotechnology. Główny autor Claudio Heil, obecnie pracujący na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley, przeprowadził tę pracę w Caltech. Służy to jako dowód koncepcji. Światło ostrzegawcze tego, czym może stać się komputer fotoniczny.
Wychodzimy z epoki, w której elektronika dyktuje tempo optyki. Światło steruje światłem. Prędkość jest realna. Pytaniem nie jest teraz, czy to działa. I co będzie dalej, gdy usuniemy wszystkie sztuczne ograniczenia w systemie.
