Μια ομάδα του Caltech δημιούργησε ένα νανοδομημένο chip που μπορεί να αλλάξει την κατεύθυνση μιας δέσμης φωτός χρησιμοποιώντας μια δεύτερη δέσμη — και να το κάνει σε μόλις 74 femtoseconds, δηλαδή 74 τετρακισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου. Η επίδοση ανοίγει έναν δρόμο για ταχύτερες φωτονικές επικοινωνίες, υπολογιστές και αισθητήρες.
Γιατί το φως χρειάζεται «τιμόνι»
Το φως μεταφέρει τεράστιες ποσότητες πληροφορίας, όμως τα φωτονικά συστήματα πρέπει να μπορούν να το κατευθύνουν και να το διαμορφώνουν με ακρίβεια. Οι συμβατικές λύσεις συχνά βασίζονται σε ηλεκτρικά σήματα που αλλάζουν τις ιδιότητες ενός υλικού. Η κίνηση των ηλεκτρονίων σε διαφορετικές ενεργειακές καταστάσεις και η επιστροφή τους στην αρχική κατάσταση επιβάλλουν καθυστέρηση, συνήθως σε κλίμακες νανοδευτερολέπτων ή πικοδευτερολέπτων.
Η προσέγγιση του Caltech παρακάμπτει αυτό το ηλεκτρικό ενδιάμεσο βήμα. Μια ισχυρή δέσμη, η «αντλία», αλλάζει προσωρινά την οπτική συμπεριφορά της επιφάνειας. Μια δεύτερη, ασθενέστερη δέσμη, ο «ανιχνευτής», περνά στη συνέχεια από το υλικό και εκτρέπεται σύμφωνα με το μοτίβο της πρώτης.
Ο ρόλος του optical Kerr effect
Η λειτουργία βασίζεται στο optical Kerr effect. Όταν ένα έντονο φως περάσει από ένα υλικό, μπορεί να μεταβάλει για πολύ λίγο τον δείκτη διάθλασής του — το μέγεθος που καθορίζει πόσο επιβραδύνεται και κάμπτεται το φως μέσα στο υλικό.
Το κρίσιμο στοιχείο είναι ότι τα ηλεκτρόνια δεν χρειάζεται να μεταπηδήσουν σε μακρόβιες διεγερμένες καταστάσεις. Η αλλαγή μπορεί να εμφανιστεί και να εξαφανιστεί σχεδόν όσο γρήγορα διαρκεί ο ίδιος ο παλμός φωτός. Από μόνο του, όμως, το φαινόμενο είναι πολύ ασθενές για πρακτική εκτροπή μιας δέσμης.
Μια μεταεπιφάνεια από πυρίτιο
Για να ενισχύσουν την απόκριση, οι ερευνητές κατασκεύασαν μια μεταεπιφάνεια από λεπτό υμένιο άμορφου πυριτίου, καλυμμένο με νανοσκοπικούς πυλώνες. Οι διαστάσεις και οι αποστάσεις τους σχεδιάστηκαν έτσι ώστε το φως να παραμένει λίγο περισσότερο στη μεταεπιφάνεια και να αλληλεπιδρά μαζί της αντί να περνά απλώς ευθεία.
Αυτός ο επιπλέον χρόνος αλληλεπίδρασης ενισχύει τη μικρή μεταβολή του δείκτη διάθλασης. Το αποτέλεσμα είναι αρκετό για να αλλάξει αισθητά η πορεία της δεύτερης δέσμης. Στα πειράματα, η δέσμη εκτράπηκε έως και κατά 13 μοίρες σε μόλις 74 femtoseconds.
Τι σημαίνει για τις φωτονικές τεχνολογίες
Η ταχύτητα της συγκεκριμένης επίδειξης περιορίστηκε από τη διάρκεια των παλμών της αντλίας, οι οποίοι είχαν επίσης διάρκεια 74 femtoseconds, και όχι από ένα θεμελιώδες όριο της μεταεπιφάνειας. Αυτό αφήνει περιθώριο για ακόμη ταχύτερο έλεγχο, αν βελτιωθούν οι πηγές παλμών και ο σχεδιασμός του chip.
Σε πρακτικό επίπεδο, η τεχνολογία δεν αποτελεί ακόμη έτοιμο εξάρτημα για εμπορικούς υπολογιστές ή δίκτυα. Δείχνει όμως έναν τρόπο με τον οποίο οι φωτονικές διατάξεις μπορούν να γίνουν γρήγορες και επαναδιαμορφώσιμες χωρίς να περιμένουν την απόκριση ηλεκτρονικών κυκλωμάτων. Η ίδια αρχή μπορεί να ενδιαφέρει συστήματα επικοινωνιών, οπτικούς υπολογιστές και αισθητήρες που χρειάζονται ακριβή χειρισμό φωτός.
Η μελέτη με τίτλο «Ultrafast, reconfigurable all-optical beam steering and spatial light modulation» δημοσιεύτηκε στο Nature Nanotechnology. Το επόμενο βήμα δεν είναι απλώς να αυξηθεί η ταχύτητα, αλλά να αποδειχθεί ότι η εκτροπή μπορεί να λειτουργήσει αποδοτικά, αξιόπιστα και σε κλίμακα κατάλληλη για πραγματικές φωτονικές πλατφόρμες.