Fotoninen aikakristalli muokkaa valoa terahertseissä

Kuvittele kytkimen napsautus ei avaruudessa vaan ajassa, samassa tahdissa kuin valo itse värähtelee.

Perinteiset fotoniset kideverkot toimivat kuin mikroskooppisia liikennesuunnittelijoita fotoneille. Pienet kuvioinnit materiaaleissa ohjaavat, vangitsevat tai hylkivät tiettyjä aallonpituuksia, aivan kuten puolijohteen kiderakenne säätelee elektroneja. Tähän asti tutkijat muokkasivat kiteen käyttäytymistä muuttamalla olosuhteita, kuten lämpötilaa tai magneettikenttiä, ja seurasivat sitten materiaalin asettumista uuteen, staattiseen optiseen vasteeseen.

Tämä uusi laite rikkoo tämän kaavan. Sen sijaan, että toistuva kuvio olisi kaiverrettu tilaan, ryhmä rakensi kuvion, joka toistuu ajassa. Sen optiset ominaisuudet vaihtelevat pikosekunnin aikaskaaloilla, niin nopeasti että ne kilpailevat manipuloitavan valon värähtelyjen kanssa. Tuloksena on dynaaminen valonohjaus THz-kaistalla, jossa muutokset tapahtuvat riittävän nopeasti vuorovaikuttaakseen valon oman rytmin kanssa.

Tavoittelu vaati monimutkaista suunnittelua. Tutkijat rakensivat plasmonisen metamateriaalin: mikromittakaavan kultarakenteiden rivejä, jotka on kuvioitu ohuelle eristyskerrokselle indiumantimonidi-puolijohteen ylle. Nuo kultaelementit muodostavat pieniä kammioita, jotka vangitsevat sähkömagneettista energiaa metallin ja puolijohteen väliseen raitoon. Kun puolijohteen pinta viritetään, pintaplasmonit, elektronien kollektiiviset aaltoliikkeet, heräävät eloon ja sieppaavat sekä ylläpitävät optisia värähtelyjä.

Lyhyet viritysimpulssit virittävät noita plasmoniresonansseja ultranopeilla aikaskaaloilla. Vangitut fotonit kohtaavat ympäristön, joka muuttuu niiden kiertäessä. Ajattele sitä peilisalina, jossa peilit liikkuvat paikoiltaan valon kimpoillessa. Tuo taso ajallista muovausta avaa mahdollisuuksia, joihin staattiset fotoniset kideverkot eivät yksinkertaisesti yllä.

Miksi tämä on tärkeää? Koska valon ajallinen hallinta THz-nopeuksilla muuttaa sääntöjä useissa teknologioissa. Erittäin nopea optinen laskenta muuttuu uskottavammaksi, kun optiset tilat voidaan kytkeä ja reitittää valon tahdissa. Viestintäjärjestelmät voisivat saada uusia kanavia ja älykkäämpiä modulointimenetelmiä. Lääketieteellinen kuvantaminen voisi hyödyntää lasereita, joita säädetään mikroskooppisilla aikaväleillä parantaen kontrastia tai nopeuttaen kuvantamista. Menetelmä osoittaa myös kohti uutta säädettävien lasereiden ja antureiden sukupolvea.

Töiden taustalla on yhteistyö École Polytechnique'n, Collège de France'n ja Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorfin (HZDR) välillä. Tulokset, jotka työntävät ajallisen hallinnan rajaa fotoniikassa, julkaistiin Nature-lehdessä.

Meillä on tapana mitata edistystä pienemmillä komponenteilla ja hienommilla kuvioilla. Tällä kertaa edistys syntyy itse tapahtumien järjestyksen uudelleenjärjestämisestä, ja vaikutukset siihen, miten käsittelemme valoa, ovat vasta alkutekijöissään.