Oblikovanje svetlosti kao nikad ranije – pomoću fotonskih vremenskih kristala

Eksperimentalni prodor omogućava ultrabrzu kontrolu svetlosti u terahercnom opsegu.

Međunarodni tim francusko-nemačkih istraživača je prvi put na svetu izveo eksperimentalnu realizaciju potpuno optičkog fotonskog vremenskog kristala (PTC), materijala čija se optička svojstva mogu snažno i periodično modulirati u vremenu na ultrabrzim nivoima.

Preporučujemo

Ovaj napredak koristi superradijacioni terahercni izvor radi uvođenje sistema u novi režim interakcije svetlosti i materije u terahercnom opsegu. Otkriće utire put za ultrabrzo optičko računarstvo, nove telekomunikacione sisteme i nove tipove terahercnih lasera.

Oblikovanje svojstava svetlosti tokom njene interakcije sa materijalima je temelj mnogih otkrića i tehnoloških proboja, bilo da je reč o optičkim vlaknima u telekomunikacijama, laserima kao izvorima svetlosti ili senzorima za hemiju i biologiju.

Naučnici postavljaju osnovu za tehnologiju koja još uvek nije široko korišćena - razvijaju nove fotonske uređaje za kontrolu svetlosti u terahercnom frekventnom opsegu. Istraživanje u ovom frekventnom pojasu, 1.000 puta bržem od onoga koji se koristi za elektronske komponente, brzo napreduju i moglo bi dati nove uvide za posmatranje i kontrolu materije.

Terahercni opseg je granica između elektronskih i fotonskih tehnologija. To je opseg pun prilika i za nauku i za društvo, a ipak je tehnološki nedovoljno razvijen u poređenju sa električnim i fotonskim područjima. Stvaranje fotonskih kristala otvoriti put za prevazilaženje ovog jaza, kažu naučnici.

Fotonski kristali su nanostrukturirani materijali sa periodičnim optičkim obrascem (poput rešetke) koji kontroliše tok fotona. Pametno prilagođavajući indeks prelamanja i oblike različitih materijala, mogu blokirati, voditi ili pojačati specifične talasne dužine, slično načinu na koji poluprovodnici kontrolišu elektrone.

U prethodnim studijama, istraživački tim je demonstrirao kako manipulacija temperaturom ili magnetnim poljima može izmeniti svojstva hvatanja svetlosti kod fotonskih kristala, ali je dosad njihova kontrola bila statična u vremenu.

Novi rad predstavlja prve fotonske vremenske kristale, gde su optička svojstva materijala (npr. refleksivnost, rezonantna frekvencija) dinamički modulirana u razmerama pikosekunde, uporedivo sa oscilacionim ciklusom same svetlosti.

„Proširujući fotonske kristale iz prostora u vreme, otvaramo novu dimenziju kontrole svetlosti — i novi put ka amplifikaciji i laserskom zračenju. To bi moglo značajno promeniti optičke tehnologije na terahercnim frekvencijama i šire“, objašnjavaju istraživači.

Da bi otključali mogućnost izmene svojstava fotona tokom vremena, naučnici su morali da naprave izuzetan, složen uređaj. Kreirali su posebnu vrstu fotonskog kristala zvanu „plazmonski metamaterijal“.

Sastoje se od mikrometarskih zlatnih zupčastih struktura, ispod kojih se nalazi izolacioni sloj i, na kraju, poluprovodni materijal od mešavine indijuma i antimona. Ovi zupci deluju kao udubljenja koja zarobljavaju fotone svetlosti između zlatnog sloja i poluprovodnog sloja. Pobuđivanje površine ovog poluprovodnika dovodi do „površinskih plazmona“, gde se elektroni ponašaju kao neka vrsta kolektivnog talasa sposobnog da uhvati svetlost i održi njene oscilacije.

Šaljući terahercne laserske pulseve u ovaj uređaj, istraživači su pokazali da su optička svojstva materijala, naročito sposobnost da reflektuje svetlost, bila modulirana veoma snažno u veoma kratkim vremenskim okvirima. Ovo je eksperimentalni podvig, jer je postizanje modulacije koja je veoma snažna (poput prisiljavanja objekta da emituje potpuno drugu boju) i veoma brza (u razmerama pikosekunde — bilioniti deo sekunde) bilo ekstremno teško.

Pored eksperimentalnih opservacija, teorijski model je potvrdio eksperimentalne rezultate, objašnjavajući ponašanje fotona u uređaju. Takođe je pokazano da vremenska modulacija smanjuje disipaciju fotona u metamaterijalu - proporciju fotona koji nisu reflektovani, već prolaze kroz površinu materijala - za polovinu.

Teorija ne samo da reprodukuje eksperiment, već takođe daje osnovu za vođenje budućih otkrića u ovom sistemu, kažu istraživači.

Sledeći korak biće otkrivanje kako dalje sprečiti disipaciju fotona kroz kristale, a zatim amplificirati broja fotona zarobljenih u uređaju. Pri visokom nivou amplifikacije, mogli bi biti izvor novih lasera sa izuzetnom modularnošću.

Ovaj napredak bi mogao transformisati način na koji koristimo svetlost u tehnologiji, naročito u terahercnom opsegu. Omogućavajući modulaciju svetlosti u tako kratkim vremenskim razmerama, ovi fotonski vremenski kristali nas približavaju novim tipovima ultrabrzih lasera za medicinsko snimanje i komunikacije. To omogućava i podešavanje svojstava svetlosti po potrebi, poput trenutne promene njene „boje“ ili intenziteta za pametnije i prilagodljivije optičke sisteme.

(Telegraf Nauka/EurekAlert)