Fotonicinis laiko kristalas: teraherco spindulių kontrolė

Įsivaizduokite jungiklio perjungimą ne erdvėje, o laike, tokiu pačiu tempu, kuriuo svyruoja pati šviesa. Tai provokuojanti idėja už naujausio proveržio, kurį atliko Prancūzijos ir Vokietijos tyrėjų komanda: pirmasis fotoninis laiko kristalas, gebantis formuoti šviesą teraherco dažniuose.

Tradiciniai fotoniniai kristalai veikia kaip mikroskopiniai eismo inžinieriai fotonams. Smulkūs medžiagų raštai nukreipia, sulaiko arba atmeta konkrečias bangos ilgius, panašiai kaip puslaidininko tinklelis valdo elektronus. Iki šiol tyrėjai keisdavo kristalo elgseną pakeisdami sąlygas, pvz., temperatūrą ar magnetinius laukus, ir stebėdavo, kaip medžiaga nusistovi į naują, statišką optinį atsaką.

Šis naujas įrenginys griauna tą modelį. Užuot kartojusįsi pagal erdvės raštą, komanda sukūrė raštą, kuris kartojasi laike. Jo optinės savybės svyruoja pikosekundžių skalėje; tai toks greitas ritmas, kad prilygsta reguliuojamos šviesos osciliacijoms. Rezultatas: dinaminė šviesos kontrolė THz juostoje, su pokyčiais, įvykstančiais pakankamai greitai, kad sąveikautų su pačios šviesos ritmu.

Norint to pasiekti, reikėjo sudėtingo sprendimo. Tyrėjai sukonstravo plasmoninį metamaterialą: mikrometro masto aukso elementų tinklus, išdėstytus ant plonos izoliacinės dangos virš indžio antimonio puslaidininko. Tie auksiniai elementai formuoja mažytes ertmes, kurios sulaiko elektromagnetinę energiją tarp metalo ir puslaidininko. Sužadinus puslaidininko paviršių, atsiranda paviršiniai plazmonai, kolektyvinės elektronų bangos, kurios užfiksuoja ir palaiko optines osciliacijas.

Trumpi sužadinimo impulsai reguliuoja šias plasmonines rezonanses ultragreitame laiko skalėje. Sulaikyti fotonai patiria aplinką, kuri keičiasi, kol jie cirkuliuoja. Galvokite apie tai kaip apie veidrodžių salę, kur veidrodžiai persikelia, kol šviesa atsispindi. Toks laiko formavimo lygis atveria galimybes, kurių statiški fotoniniai kristalai negali pasiekti.

Kodėl tai svarbu? Nes valdyti šviesą laike THz greičiu reiškia taisyklių perrašymą kelioms technologijoms. Ultragreitą optinį skaičiavimą tampa realiau įgyvendinti, kai optinės būsenos gali būti perjungiamos ir nukreipiamos šviesos ritmu. Komunikacijų sistemos galėtų įgyti naujų kanalų ir pažangesnių moduliacijos schemų. Medicininis vaizdavimas galėtų pasinaudoti lazeriais, kuriuos galima derinti mikroskopinėmis laiko langų skalėmis, gerinant kontrastą arba spartinant duomenų gavimą. Ši technika taip pat nurodo kelią naujai reguliuojamų lazerių ir jutiklių kartai.

Šis darbas yra bendradarbiavimo rezultatas, kuriame dalyvavo École Polytechnique, Collège de France ir Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). Rezultatai, kurie plečia laikinės kontrolės ribas fotonikoje, buvo paskelbti žurnale Nature.

Paprastai pažangą matuojame mažesniais komponentais ir smulkesniais raštais. Šįkart pažanga kyla iš paties įvykių eiliškumo pertvarkymo, ir pasekmės, kaip mes valdysime šviesą, tik pradeda formuotis.