Ένα σημαντικό επιστημονικό επίτευγμα υπόσχεται να φέρει επανάσταση στον τρόπο με τον οποίο μεταδίδονται οι πληροφορίες στα ηλεκτρονικά συστήματα του μέλλοντος.
Ερευνητές κατάφεραν να καθοδηγήσουν το υπέρυθρο φως με απόλυτη ακρίβεια μέσα από ένα υλικό, χωρίς τη χρήση φυσικών καλωδίων ή ορατών καναλιών.
Αυτή η πρωτοποριακή μέθοδος ανοίγει τον δρόμο για τη δημιουργία ασύλληπτα γρήγορων μικροτσίπ και θέτει τις βάσεις για την επόμενη γενιά των κβαντικών υπολογιστών.
Η ανακάλυψη αυτή θα μπορούσε να δώσει ώθηση στην ολοκληρωμένη φωτονική, στη μετάδοση οπτικών σημάτων σε μικροτσίπ και στις μελλοντικές κβαντικές τεχνολογίες. Μια χρυσή νανοκεραία, τοποθετημένη πάνω σε έναν κρύσταλλο, μπορεί να στείλει υπέρυθρο φως κατά μήκος μιας στενής διαδρομής, παρόλο που δεν έχει χαραχθεί κανένας φυσικός κυματοδηγός μέσα στο υλικό.
Ερευνητές από το 4ο Ινστιτούτο Φυσικής του Πανεπιστημίου της Στουτγάρδης και το Ιταλικό Ινστιτούτο Τεχνολογίας (IIT) στο Μιλάνο επέδειξαν αυτόν τον μηχανισμό σε ένα φυσικά υπερβολικό υλικό βαν ντερ Βάαλς (van der Waals).
Το αποτέλεσμα αυτό θα μπορούσε να υποστηρίξει την ολοκληρωμένη φωτονική, τις οπτικές επικοινωνίες σε μικροτσίπ και τις μελλοντικές κβαντικές τεχνολογίες.
Το φως που εκπέμπεται από μια μικρή πηγή κανονικά εξαπλώνεται προς τα έξω με τη μορφή κυκλικών ή σφαιρικών μετώπων κύματος, όπως ακριβώς οι κυματισμοί που επεκτείνονται όταν μια πέτρα πέφτει στο νερό.
Η ομοιόμορφη αυτή διάδοση αποτελεί βασική ιδιότητα των κυμάτων, αλλά μετατρέπεται σε πρόβλημα όταν οι φωτονικές συσκευές πρέπει να κατευθύνουν το φως αποτελεσματικά κατά μήκος μιας συγκεκριμένης διαδρομής.
Τα σύγχρονα οπτικά συστήματα λύνουν αυτό το πρόβλημα με τη χρήση κυματοδηγών. Οι οπτικές ίνες, για παράδειγμα, εγκλωβίζουν το φως του λέιζερ ώστε να μπορεί να ταξιδέψει σε μεγάλες αποστάσεις με ελάχιστες απώλειες.
Τα ολοκληρωμένα φωτονικά κυκλώματα χρησιμοποιούν πολύ μικρότερους κυματοδηγούς, οι οποίοι δημιουργούνται μέσω κατασκευαστικών σταδίων λιθογραφίας, όπως η επίστρωση φωτοευαίσθητου υλικού (resist coating), η λιθογραφία και η χημική χάραξη (etching).
Η παραγωγή αυτών των νανοδομών είναι τεχνικά δύσκολη και αυξάνει σημαντικά το κατασκευαστικό κόστος.
Ο καθηγητής Χάραλντ Γκίσεν από το 4ο Ινστιτούτο Φυσικής του Πανεπιστημίου της Στουτγάρδης και ο Δρ. Αντόνιο Αμπρόζιο από το Ιταλικό Ινστιτούτο Τεχνολογίας (IIT) ηγήθηκαν μιας συνεργασίας που επέδειξε έναν εναλλακτικό τρόπο καθοδήγησης του φωτός, χωρίς την ανάγκη κατασκευής ενός τεχνητού κυματοδηγού.
Ένας κυματοδηγός γεννιέται μέσα στον κρύσταλλο
Οι ερευνητές εργάστηκαν με το δισδιάστατο υλικό οξυ-διχλωρίδιο του μολυβδαινίου (MoOCl₂). Τοποθέτησαν μια χρυσή νανοκεραία στην επιφάνειά του και τη φώτισαν με ένα υπέρυθρο λέιζερ.
Αυτό δημιούργησε ισχυρά περιορισμένα οπτικά κύματα που κινούνταν προς μία μόνο κατεύθυνση. Αντί να εξαπλώνεται σε όλο το υλικό, το φως παρέμενε μέσα σε ένα στενό κανάλι.
Η συμπεριφορά του έμοιαζε με εκείνη του φωτός που ταξιδεύει μέσα από έναν αόρατο κυματοδηγό, ο οποίος υπάρχει με φυσικ0ό τρόπο στο εσωτερικό του κρυστάλλου.
Ο Φαρίντ Αγκασιρίνοφ, διδακτορικός ερευνητής στο 4ο Ινστιτούτο Φυσικής, και ο Αντρέα Μαντσίνι, μεταδιδακτορικός υπότροφος στο IIT, πραγματοποίησαν τα πειράματα χρησιμοποιώντας μικροσκοπία σάρωσης κοντινού πεδίου τύπου σκέδασης (s-SNOM).
Σε αντίθεση με τις συμβατικές προσεγγίσεις, η μέθοδος αυτή δεν απαιτεί καμία νανοδομή στο υλικό, καθώς ο ίδιος ο κρύσταλλος καθορίζει την πορεία του φωτός.
Το MoOCl₂ είναι ένα διαξονικό υλικό, πράγμα που σημαίνει ότι οι οπτικές του ιδιότητες διαφέρουν σημαντικά κατά μήκος των διαφορετικών κατευθύνσεων του κρυστάλλου. Κατά μήκος του ενός άξονα συμπεριφέρεται σαν μέταλλο και υποστηρίζει επιφανειακά πλασμόνια, τα οποία είναι συλλογικές ταλαντώσεις ηλεκτρονίων ικανές να μεταφέρουν ηλεκτρομαγνητική ενέργεια.
Κατά μήκος του κάθετου άξονα, το υλικό συμπεριφέρεται ως διηλεκτρικό και περιορίζει δραστικά την κίνηση των πλασμονίων. Αυτή η ακραία κατευθυντική διαφορά, γνωστή ως ανισοτροπία, εγκλωβίζει τα πλασμονικά κύματα μέσα σε μια στενή διαδρομή.
Επειδή το φαινόμενο αυτό μοιάζει με το νερό που κατευθύνεται μέσα από ένα κανάλι, οι ερευνητές το ονομάζουν «διοχέτευση πλασμονίων» (plasmon canalization).
Αλλάζοντας το χρώμα, αλλάζει η διαδρομή: Η κρίσιμη επίδραση του μήκους κύματος
Το σχήμα και η κατεύθυνση των κυμάτων άλλαζαν σημαντικά ανάλογα με το υπέρυθρο μήκος κύματος. Στα περίπου 4 μm, οι ερευνητές παρατήρησαν μια έντονα κατευθυντική, διοχετευμένη διάδοση.
Όταν αύξησαν το μήκος κύματος στα 5 μm, το μέτωπο κύματος επέστρεψε στην οικεία μορφή δακτυλίου, θυμίζοντας τους κυματισμούς που απλώνονται ομοιόμορφα στο νερό.
Για τα πειράματα χρησιμοποιήθηκε ένα ρυθμιζόμενο λέιζερ υπέρυθρης ακτινοβολίας που αναπτύχθηκε από την εταιρεία Stuttgart Instruments GmbH, μια τεχνοβλαστό (spin-off) του Πανεπιστημίου της Στουτγάρδης.
Οι ερευνητές κατέγραψαν τις οπτικές εικόνες κοντινού πεδίου με ένα μικροσκόπιο SNOM της εταιρείας attocube systems AG, μιας ακόμη εταιρείας τεχνολογίας που προήλθε από την ακαδημαϊκή έρευνα. Αντίθετα, στα 3 μm, ανέπτυξε ένα ανοιχτό, υπερβολικό σχήμα.
Η διοχετευμένη κατάσταση μπορεί να γίνει κατανοητή ως ένα ελλειπτικό μέτωπο κύματος, το οποίο έχει τεντωθεί τόσο πολύ ώστε οι εστίες της έλλειψης ουσιαστικά μετατοπίζονται στο άπειρο.
Αλλάζοντας αποκλειστικά το μήκος κύματος διέγερσης, οι ερευνητές μετέβαλαν τα διαδιδόμενα κύματα στο MoOCl₂ από ανοιχτή σε κλειστή μορφή, περνώντας μέσα από την κρίσιμη ενδιάμεση κατάσταση της διοχέτευσης.
Λιγότερα εξαρτήματα, μεγαλύτερη ταχύτητα: Η επανάσταση στα φωτονικά τσιπ
Οι ερευνητές προτείνουν ότι η διοχέτευση πλασμονίων σε φυσικά υπερβολικά υλικά θα μπορούσε να αποτελέσει μια νέα βάση για την ολοκληρωμένη φωτονική.
Καθώς το υλικό μεταφέρει το φως κατευθυντικά χωρίς τη χρήση κυματοδηγών που κατασκευάζονται με λιθογραφία, μπορεί να απλοποιήσει σημαντικά την παραγωγή των φωτονικών τσιπ.
Η προσέγγιση αυτή θα μπορούσε επίσης να διευρύνει τα διαθέσιμα σχέδια για οπτικές διασυνδέσεις, φωτονικά κυκλώματα νανοκλίμακας και ολοκληρωμένες κβαντικές τεχνολογίες.
