Një ekip ndërkombëtar kërkimor ka prodhuar eksperimentalisht kristalin e parë fotonik të kohës tërësisht optik (PTC), një material i projektuar për të ndryshuar sjelljen e tij optike në mënyrë të shpejtë dhe të përsëritur me kalimin e kohës. Studiuesit vinin nga École Polytechnique, Collège de France dhe Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR).
Sistemi u mundësoi shkencëtarëve të eksploronin një formë më parë të paarritshme të ndërveprimit dritë–materie në zonën teraherc. Në të ardhmen, kjo qasje mund të kontribuojë në kompjuterë optikë ultra të shpejtë, telekomunikacion të avancuar dhe lazerë teraherc krejtësisht të rinj.
Kontrollimi i mënyrës se si sillet drita brenda materialeve ka çuar tashmë në teknologji që formësojnë jetën moderne. Fibrat optike transportojnë informacion nëpër rrjetet e komunikimit, lazerët ofrojnë burime drite me saktësi shumë të lartë dhe sensorët optikë përdoren gjerësisht në kimi dhe biologji.
Eksplorimi i kufirit të teknologjisë teraherc
Në École Polytechnique, Yannis Laplace, profesor asistent, dhe ekipi i tij në Laboratorin e Lëndëve të Rrezatuara (LSI) po punojnë mbi pajisje fotonike që mund të kontrollojnë dritën në intervalin e frekuencave teraherc (THz).
Kjo pjesë kryesisht e papërdorur e spektrit elektromagnetik ndodhet midis elektronikës tradicionale dhe fotonikës. Kërkimet në këtë fushë po përparojnë me shpejtësi, sepse frekuencat teraherc, 1000 herë më të shpejta se ato të përdorura në komponentët elektronikë, mund të ofrojnë mënyra të fuqishme të reja për të ekzaminuar dhe manipuluar materien.
“Zona THz përfaqëson kufirin midis teknologjive elektronike dhe fotonike,” shpjegon Laplace. “Është një zonë plot mundësi si për shkencën ashtu edhe për shoqërinë, megjithatë ende është më pak e zhvilluar teknologjikisht krahasuar me homologët e saj elektrikë dhe fotonikë. Krijimi i kristaleve fotonike mund të udhëheqë rrugën drejt mbylljes së këtij hendeku.”
Kontrollimi i dritës përmes kohës
Kristalet fotonike tradicionale janë materiale me nanostrukturë që përmbajnë një model optik të përsëritur (si një rrjetë), i cili përcakton mënyrën se si fotonet lëvizin përmes tyre. Duke rregulluar me kujdes materiale me forma dhe indekse të ndryshme thyerjeje, shkencëtarët mund të bllokojnë, drejtojnë ose forcojnë gjatësi vale të caktuara të dritës. Në këtë kuptim, kristalet fotonike kontrollojnë fotonet në një mënyrë të ngjashme me mënyrën se si gjysmëpërçuesit kontrollojnë elektronet.
Eksperimentet e mëparshme të ekipit treguan se temperatura dhe fushat magnetike mund të ndryshonin aftësinë e kristaleve fotonike për të kapur dritën. Megjithatë, pasi këto kushte vendoseshin, sjellja optike mbetej e pandryshuar me kalimin e kohës.
Pajisja e re shkon shumë më tej. Vetitë e saj optike (p.sh. reflektiviteti, frekuenca e rezonancës) mund të ndryshohen në mënyrë dinamike në shkallë kohore pikosekondash, afër shkallës kohore të vetë lëkundjeve të dritës. Në vend që të mbështetet vetëm në modele të rregulluara në hapësirë, kristali fotonik i kohës prezanton një model të përsëritur në kohë.
“Duke i zgjeruar kristalet fotonike nga hapësira në kohë, ne hapim një dimension të ri për kontrollin e dritës dhe një rrugë të re drejt amplifikimit dhe gjenerimit të lazerit. Kjo mund të jetë një ndryshim rrënjësor për teknologjitë optike në frekuencat teraherc dhe përtej tyre,” shpjegon Tingwen Guo, student doktorature në École Polytechnique dhe autori kryesor i publikimit.
Ndërtimi i një metamateriali që bllokon dritën
Krijimi i një kontrolli kaq të shpejtë kërkonte një pajisje shumë të specializuar dhe komplekse. Me mbështetjen e Laboratorit Albert Fert të Thales dhe laboratorit të Fizikës së Ndërfaqeve (PICM) të Polytechnique, studiuesit ndërtuan një formë të kristalit fotonik të njohur si “metamaterial plazmonik”.
Materiali përmban struktura ari me madhësi mikrometrike, të vendosura mbi një shtresë izoluese dhe një gjysmëpërçues të përbërë nga një përzierje indiumi dhe antimoni. Strukturat prej ari formojnë zgavra të vogla që kufizojnë dritën midis shtresave të arit dhe gjysmëpërçuesit.
Kur sipërfaqja e gjysmëpërçuesit ngacmohet, ajo prodhon “plazmone sipërfaqësore”, valë kolektive të elektroneve që mund të kapin dritën dhe të ruajnë lëkundjet e saj. Ky ndërveprim u dha studiuesve një mënyrë për të manipuluar fotonet e bllokuara me shpejtësi të jashtëzakonshme.
Vetitë optike ndryshuan në sekonda
Ekipi e ekspozoi pajisjen ndaj impulseve lazer teraherc të prodhuara nga TELBE në përshpejtuesin ELBE të HZDR. Meqenëse burimi gjeneron rrezatim intensiv teraherc që mund të rregullohet në frekuenca të ndryshme, studiuesit ishin në gjendje të ndryshonin vetitë optike të materialit, veçanërisht reflektivitetin e tij, si fuqishëm ashtu edhe shpejt.
Arritja e këtyre dy efekteve njëkohësisht kishte qenë një pengesë e madhe teknike. Fuqia e ndryshimit ishte e krahasueshme me detyrimin e një objekti të lëshojë një ngjyrë krejtësisht të ndryshme, ndërsa transformimi ndodhi në shkallën e pikosekondave një e miliarda e një miliardës së sekondës.
“Aftësia unike e TELBE për të gjeneruar impulse teraherc me fushë të lartë dhe fazë të qëndrueshme ishte kritike,” konfirmoi Jan-Christoph Deinert, koordinatori i objektit TELBE. “Pa këtë infrastrukturë, arritja e modulimit koherent dhe ultra të shpejtë të nevojshëm për regjimin PTC do të kishte qenë e pamundur.”
Një model shpjegon sjelljen e fotoneve
Një model teorik i zhvilluar nga Marco Schiró, shkencëtar kërkimor në Collège de France, dhe ekipi i tij mbështeti gjetjet eksperimentale dhe ndihmoi në shpjegimin e mënyrës se si fotonet silleshin brenda pajisjes.
Llogaritjet treguan gjithashtu se ndryshimi i materialit me kalimin e kohës përgjysmoi shpërndarjen e fotoneve. Në këtë kontekst, shpërndarja i referohet pjesës së fotoneve që nuk reflektohen dhe në vend të kësaj kalojnë përmes sipërfaqes së metamaterialit.
“Teoria jo vetëm që riprodhon eksperimentin, por gjithashtu siguron bazën për udhëheqjen e zbulimeve të ardhshme në këtë sistem,” u shpreh i kënaqur Schiró.
Drejt lazerëve ultra të shpejtë dhe kompjuterëve optikë
Studiuesit tani dëshirojnë të zvogëlojnë edhe më tej shpërndarjen e fotoneve dhe të rrisin numrin e fotoneve të mbajtura brenda kristalit. Nëse mund të prodhojnë amplifikim mjaftueshëm të fortë, pajisja mund të bëhet baza për lazerë të rinj shumë të përshtatshëm.
Kristalet fotonike të kohës mund të ndryshojnë përfundimisht mënyrën se si përdoret drita në teknologji, veçanërisht brenda intervalit teraherc. Aftësia e tyre për të ndryshuar dritën në shkallë jashtëzakonisht të shkurtra kohore mund të mbështesë lazerë ultra të shpejtë për imazheri mjekësore dhe komunikime.
Kjo teknologji mund të bëjë gjithashtu të mundur rregullimin e vetive si “ngjyra” ose intensiteti i dritës pothuajse menjëherë dhe sipas kërkesës. Ky nivel kontrolli mund të çojë në sisteme optike më të shpejta, më inteligjente dhe më të përshtatshme.
