Η σύγχρονη τεχνολογία πλησιάζει όλο και περισσότερο στα όρια της επιστημονικής φαντασίας, με τους επιστήμονες να επιτυγχάνουν πλέον τον έλεγχο του φωτός σε ασύλληπτες ταχύτητες.
Μια νέα ανακάλυψη έρχεται να ανατρέψει τα δεδομένα στον τομέα της οπτικής, υπόσχοντας υπολογιστές και δίκτυα που λειτουργούν με την ταχύτητα του φωτός. Συγκεκριμένα, ερευνητές κατάφεραν να επαναπρογραμματίσουν τη συμπεριφορά μιας φωτεινής δέσμης σε χρόνο που σχεδόν δεν συλλαμβάνει ο ανθρώπινος νους.
Μια εξαιρετικά λεπτή επιφάνεια πυριτίου μπορεί να κατευθύνει και να αναδιαμορφώσει το φως σε μόλις 74 φεμτοδευτερόλεπτα, ανοίγοντας τον δρόμο για μια νέα γενιά οπτικής τεχνολογίας υψηλής ταχύτητας. Ένας παλμός φωτός μπορεί να διανύσει το πάχος μιας ανθρώπινης τρίχας σε περίπου 74 φεμτοδευτερόλεπτα.
Σε αυτό ακριβώς το απειροελάχιστο χρονικό διάστημα, μια νέα συσκευή που αναπτύχθηκε στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια (Caltech) μπορεί να αλλάξει την κατεύθυνση και το σχήμα μιας άλλης δέσμης φωτός. Η πειραματική αυτή τεχνολογία θα μπορούσε να οδηγήσει σε οπτικά συστήματα που αποκρίνονται πολύ πιο γρήγορα από το σημερινό υλικό (hardware) κατεύθυνσης δέσμης.
Αυτού του είδους ο έλεγχος είναι σημαντικός για κάμερες, αισθητήρες, δίκτυα επικοινωνιών, επιστημονικά όργανα και αναδυόμενες μορφές φωτονικής υπολογιστικής. Ο περισσότερος εξοπλισμός που χρησιμοποιείται για τον χειρισμό του φωτός δεν μπορεί να συμβαδίσει με την ταχύτητα του ίδιου του φωτός.
Τα κάτοπτρα μπορεί να χρειάζεται να περιστραφούν, οι υγροί κρύσταλλοι πρέπει να αναδιαταχθούν ή τα ηλεκτρονικά σήματα πρέπει να τροποποιήσουν τις ιδιότητες ενός υλικού. Ακόμη και όταν αυτές οι διαδικασίες θεωρούνται γρήγορες με τα κοινά δεδομένα, μπορεί να είναι αργές σε σύγκριση με τις θεμελιώδεις χρονικές κλίμακες του φωτός.
Οι ερευνητές επέδειξαν τώρα μια εξαιρετικά λεπτή επιφάνεια που κατευθύνει και αναδιαμορφώνει το φως σε μόλις 74 φεμτοδευτερόλεπτα, δηλαδή σε 74 τετράκις εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου. Τα ευρήματα δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Nature Nanotechnology.
Η «ανατομία» του επιτεύγματος: Πώς λειτουργεί η επαναστατική μετα-επιφάνεια πυριτίου
Η εργασία πραγματοποιήθηκε στο εργαστήριο του καθηγητή Χάρι Άτγουότερ (Harry Atwater) στο Caltech. Ο Δρ. Κλαούντιο Χάιλ (Claudio Hail), πλέον επίκουρος καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϊ, ήταν ο επικεφαλής της έρευνας. Ο Δρ. Λιορ Μικαέλι (Lior Michaeli), σήμερα επικεφαλής του Εργαστηρίου Μετα-Οπτομηχανικής στη Σχολή Μηχανικής Fleischman του Πανεπιστημίου του Τελ Αβίβ, ήταν συνέκδορος (coauthor) της μελέτης.
Η συσκευή είναι μια μετα-επιφάνεια (metasurface), ένα λεπτό οπτικό στρώμα διαμορφωμένο με δομές μικρότερες από το μήκος κύματος του φωτός. Αντίθετα με έναν παραδοσιακό φακό, ο οποίος αλλάζει μια δέσμη καθώς αυτή διέρχεται μέσα από κυκλικό γυαλί, μια μετα-επιφάνεια μπορεί να τροποποιήσει το φως χρησιμοποιώντας προσεκτικά διατεταγμένα χαρακτηριστικά νανοκλίμακας σε μια σχεδόν επίπεδη επιφάνεια.
Στη συγκεκριμένη περίπτωση, η επιφάνεια περιέχει μικροσκοπικές δομές πυριτίου σχεδιασμένες να εγκλωβίζουν και να συγκεντρώνουν το φως για μια σύντομη στιγμή. Αυτός ο σχεδιασμός συντονισμού εντείνει την αλληλεπίδραση μεταξύ του εισερχόμενου φωτός και του πυριτίου.
Ένας σύντομος παλμός ελέγχου αλλάζει τις οπτικές ιδιότητες του πυριτίου μέσω ενός φαινομένου γνωστού ως οπτικό φαινόμενο Κερ (Kerr effect). Υπό την επίδραση αυτού του φαινομένου, το έντονο φως αλλάζει για λίγο τον δείκτη διάθλασης ενός υλικού, ο οποίος καθορίζει τον τρόπο με τον οποίο το φως ταξιδεύει μέσα από αυτό.
Το φαινόμενο Κερ μπορεί να εκδηλωθεί σε λιγότερο από ένα φεμτοδευτερόλεπτο, αλλά συνήθως είναι πολύ ασθενές για να παράγει ένα χρήσιμο αποτέλεσμα. Οι ερευνητές ξεπέρασαν αυτό το πρόβλημα σχεδιάζοντας μια μετα-επιφάνεια υψηλού συντελεστή ποιότητας (high-quality factor) που ενισχύει την αλληλεπίδραση. Αυτό επέτρεψε σε έναν παλμό φωτός να ελέγξει έναν άλλον, χωρίς μηχανική κίνηση ή πιο αργές μεταβολές που περιλαμβάνουν διεγερμένους φορείς φορτίου.
Το «τιμόνι» του φωτός: Πώς η νέα τεχνολογία κατευθύνει και αναδιαμορφώνει τις ακτίνες
«Η βασική ιδέα ήταν να δημιουργήσουμε μια μετα-επιφάνεια της οποίας η οπτική απόκριση δεν θα είναι σταθερή μετά την κατασκευή της», αναφέρει ο Δρ. Χάιλ . «Αλλάζοντας το μοτίβο του φωτισμού, μπορούμε να επαναδιαμορφώσουμε τον τρόπο με τον οποίο η συσκευή κατευθύνει και αλλάζει το σχήμα του φωτός, και μάλιστα σε μια εξαιρετικά γρήγορη χρονική κλίμακα».
Κατά τη διάρκεια εργαστηριακών δοκιμών, η ομάδα άλλαξε την κατεύθυνση μιας δέσμης φωτός έως και 13 μοίρες προς κάθε πλευρά. Οι ερευνητές ήταν σε θέση να καθορίσουν την κατεύθυνση αλλάζοντας το χωρικό μοτίβο του παλμού ελέγχου.
Χρησιμοποίησαν επίσης την ίδια προσέγγιση για να αναδιαμορφώσουν την εξερχόμενη δέσμη και να παράγουν διαφορετικά μοτίβα φωτός. Αντί να είναι μόνιμα σχεδιασμένη για μία μόνο εργασία, η επιφάνεια μπορούσε να επαναπρογραμματιστεί μέσω του φωτισμού Hail.
Ο καθηγητής Άτγουότερ (Atwater) εξηγεί: «Το φως συνήθως αλληλεπιδρά πολύ ασθενώς με την ύλη, επομένως ο έλεγχος μιας δέσμης φωτός από μια άλλη είναι εξαιρετικά δύσκολος. Η μετα-επιφάνεια ενισχύει αυτή την αλληλεπίδραση, επιτρέποντας σε μια πολύ μικρή και πολύ γρήγορη απόκριση του υλικού να παράγει μια χρήσιμη αλλαγή στην εξερχόμενη δέσμη».
Ασύλληπτες ταχύτητες: Ψηφιακή εναλλαγή χωρίς το παραμικρό κινητό μέρος
«Για μένα, η πιο συναρπαστική πτυχή είναι να βλέπω μια ιδέα που είχαμε για χρόνια να γίνεται πειραματική πραγματικότητα», αναφέρει ο Δρ. Μικαέλι (Michaeli). «Το εξαιρετικά γρήγορο φαινόμενο που θέλαμε να χρησιμοποιήσουμε είναι από τη φύση του πολύ ασθενές. Έπρεπε να σχεδιάσουμε τη μετα-επιφάνεια έτσι ώστε να ενισχύει το φαινόμενο αρκετά, όχι μόνο για να το μετρήσουμε, αλλά για να το χρησιμοποιήσουμε ώστε να κατευθύνουμε και να διαμορφώσουμε το φως.»
Ο χρόνος εναλλαγής που παρατηρήθηκε ήταν κοντά στη διάρκεια του παλμού λέιζερ που χρησιμοποιήθηκε στο πείραμα. Αυτό υποδηλώνει ότι η ίδια η μετα-επιφάνεια μπορεί να μην έχει φτάσει ακόμη στο θεμελιώδες όριο ταχύτητάς της.
Μικρότεροι παλμοί θα μπορούσαν ενδεχομένως να παράγουν ακόμη ταχύτερη εναλλαγή. Η επιφάνεια επανέρχεται επίσης γρήγορα στην αρχική της κατάσταση (reset) μετά την εξαφάνιση του παλμού ελέγχου. Επειδή η λειτουργία της δεν βασίζεται σε κινητά μέρη ή σε ηλεκτρικά φορτία μακράς διάρκειας, μπορεί να επιστρέψει σχεδόν αμέσως στην αρχική της οπτική κατάσταση.
Φωτονική επανάσταση: Πώς το φως αντικαθιστά τα ηλεκτρονικά κυκλώματα στις επικοινωνίες
Τα σύγχρονα δίκτυα επικοινωνιών χρησιμοποιούν ήδη το φως για τη μεταφορά τεράστιων ποσοτήτων πληροφοριών. Ωστόσο, αυτή η πληροφορία πρέπει συχνά να μετατραπεί σε ηλεκτρικό σήμα προτού μπορέσει να υποστεί επεξεργασία, να δρομολογηθεί ή να τροποποιηθεί. Στη συνέχεια, το αποτέλεσμα μετατρέπεται ξανά σε φως για τη μετάδοσή του.
Αυτές οι επαναλαμβανόμενες μετατροπές προσθέτουν πολυπλοκότητα και μπορούν να προκαλέσουν καθυστερήσεις, αλλά και ενεργειακό κόστος. Μια προγραμματιζόμενη συσκευή ικανή να χειρίζεται απευθείας το φως θα μπορούσε τελικά να επιτρέψει σε ορισμένες λειτουργίες να παραμείνουν εξολοκλήρου οπτικές.
Οι πιθανές χρήσεις θα μπορούσαν να περιλαμβάνουν υλικό επικοινωνιών με δυνατότητα ταχείας επαναδιαμόρφωσης, συμπαγή συστήματα απεικόνισης, προηγμένους αισθητήρες, δυναμική ολογραφία και φωτονικούς επεξεργαστές.
Οι ενεργές μετα-επιφάνειες μελετώνται ως ένας τρόπος ελέγχου ιδιοτήτων όπως η κατεύθυνση, η ένταση, η φάση, η πόλωση και το φάσμα μιας δέσμης, επάνω σε μια συμπαγή πλατφόρμα.
Ο Δρ. Μικαέλι (Michaeli) προσθέτει: «Αυτή η εργασία αναδεικνύει μια ευρύτερη ευκαιρία: τη χρήση ειδικά σχεδιασμένων δομών για την ενίσχυση των αλληλεπιδράσεων μεταξύ φωτός και ύλης και τη μετατροπή τους σε εργαλεία ελέγχου, ανίχνευσης και επεξεργασίας πληροφοριών. Αυτό συνδέεται στενά με τις ερευνητικές κατευθύνσεις που ακολουθούμε τώρα στο Πανεπιστήμιο του Τελ Αβίβ».
Από το εργαστήριο στην παραγωγή: Το επόμενο βήμα για τη φωτονική τεχνολογία
Οι ερευνητές τονίζουν ότι το πείραμα αποτελεί μια απόδειξη της βασικής αρχής (proof of principle) και όχι ένα έτοιμο εξάρτημα που μπορεί να αντικαταστήσει το συμβατικό οπτικό υλικό.
Ακόμη κι έτσι, η μελέτη αποδεικνύει ότι τα οπτικά εξαρτήματα δεν χρειάζεται απαραίτητα να παραμένουν το πιο αργό μέρος ενός συστήματος που βασίζεται στο φως. Χρησιμοποιώντας δομές νανοκλίμακας για να ενισχύσουν ένα κατά τα άλλα ασθενές φυσικό φαινόμενο, οι ερευνητές έδειξαν ότι μια δέσμη φωτός μπορεί να ελέγξει μια άλλη με ταχύτητα και προγραμματιζόμενο τρόπο.
