Zbúrali sme ďalšiu hranicu fyziky. Vedci vytvorili časový kryštál, ktorý ovláda svetlo

Tím vedcov z prestížnej École Polytechnique v spolupráci s medzinárodnými partnermi úspešne demonštroval existenciu fotónového časového kryštálu. Kým bežné optické materiály, ktoré dnes využívame v optických vláknach či senzoroch, spoliehajú na fixnú štruktúru v priestore, tento nový systém dokáže s fotónmi manipulovať v novej dimenzii – v čase.

Tento objav otvára dvere k technológiám, ktoré boli doteraz len v rovine teoretických úvah. Hovoríme o ultrarýchlych optických počítačoch či pokročilej telekomunikácii budúcnosti, kde terahertzové frekvencie nahradia dnešnú elektroniku. Práve toto pásmo elektromagnetického spektra leží na rozhraní medzi tradičnou elektronikou a fotonikou, pričom doteraz zostávalo z veľkej časti nevyužité.

Ako výsledky experimentu ukazujú, kľúčom k úspechu bolo využitie extrémne výkonného zdroja žiarenia TELBE v centre HZDR (Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf). Práve táto infraštruktúra umožnila vedcom modulovať optické vlastnosti materiálu na pikosekundovej úrovni, čo je rýchlosť blízka kmitaniu samotného svetla. Podrobnosti o tomto úspechu publikoval aj vedecký časopis Nature.

Prečo je terahertzové pásmo svätým grálom

Terahertzové frekvencie sú z pohľadu vývojárov mimoriadne lákavé. Sú totiž až 1 000-krát rýchlejšie než signály, ktoré spracovávajú dnešné štandardné elektronické súčiastky. Vedec Yannis Laplace, ktorý výskum viedol, zdôrazňuje, že práve táto oblasť je technologickou hranicou, ktorú sa nám doposiaľ darilo ovládať len čiastočne.

Kým bežné fotónové kryštály fungujú podobne ako polovodiče pri riadení elektrónov – teda blokujú, usmerňujú alebo zosilňujú svetlo na základe svojho priestorového usporiadania – časové kryštály pridávajú dynamický rozmer. Vlastnosti ako odrazivosť či rezonancia sa tu menia v reálnom čase.

Keď už hovoríme o inováciách v energetike a efektívnosti, mnohé riešenia sa dnes zameriavajú na drastické znižovanie strát. Podobne ako pri výskume fúznych reaktorov, aj tu je cieľom dosiahnuť čo najvyššiu stabilitu. O podobných inovatívnych prístupoch sme písali aj v článku o tom, ako budúci zdroj čistej energie dosiahol prelom.

Metamateriál, ktorý dokáže „uväzniť“ svetlo

Na dosiahnutie tohto javu tím vyvinul špeciálny plazmonický metamateriál. Jeho základ tvoria zlaté štruktúry v mikrometrovej mierke, ktoré sú umiestnené nad izolantom a polovodičovou vrstvou z india a antimonu. Tieto zlaté štruktúry vytvárajú drobné dutiny, v ktorých sa svetlo doslova zachytí.

Keď vedci povrch polovodiča „vybudia“ laserovým impulzom, vznikajú tzv. povrchové plazmóny – kolektívne vlny elektrónov. Tie následne umožňujú manipuláciu s uväznenými fotónmi s nevídanou presnosťou. Ide o proces, ktorý by bez špičkového vybavenia bol technicky neuskutočniteľný.

Výskumníci vďaka zariadeniu TELBE dokázali meniť odrazivosť materiálu tak dramaticky, že to pripomína zmenu farby objektu v zlomku sekundy. Táto modulácia prebehla na úrovni pikosekúnd, teda biliardín sekundy, čo je pre bežné technológie nepredstaviteľná rýchlosť.

Teória, ktorá potvrdila experiment

Výsledky neboli len dielom náhody. Teoretický model vyvinutý vedcami z Collège de France presne predpovedal správanie fotónov v tomto systéme. Výpočty ukázali, že zmenou vlastností materiálu v čase dokázali vedci znížiť straty fotónov, tzv. disipáciu, až na polovicu.

Tento teoretický základ je kľúčový pre ďalšie smerovanie výskumu. Vedci totiž už teraz vedia, že ak dokážu túto disipáciu ešte viac eliminovať, zariadenie by sa mohlo stať základom pre úplne nové, vysoko adaptabilné lasery.

Využitie týchto poznatkov nájdeme aj v oblastiach, kde sa dnes hľadajú úspory vďaka lepšiemu využitiu technológií. Podobne ako pri optimalizácii domácich systémov, aj tu platí, že veda hľadá cestu k vyššej efektivite. Ak vás zaujíma, ako sa dá zefektívniť technológia, ktorú už máme doma, odporúčame článok o tom, že klimatizácie majú skrytú výhodu, o ktorej väčšina ľudí ani netuší.

Budúcnosť optických počítačov

Čo to znamená pre bežnú technológiu? V prvom rade ide o schopnosť ladiť vlastnosti svetla, ako je jeho intenzita alebo „farba“, okamžite a na požiadanie. Takáto úroveň kontroly je základným kameňom pre budovanie systémov, ktoré budú násobne rýchlejšie ako tie dnešné kremíkové čipy.

Hoci sme stále vo fáze laboratórnych experimentov, potenciál pre medicínske zobrazovanie, ultrarýchlu komunikáciu a nové typy počítačových architektúr je obrovský. Fotónové časové kryštály nám ukazujú, že limitom pre rýchlosť dátových prenosov nie je len materiál samotný, ale aj spôsob, akým s ním dokážeme v čase pracovať.

Tento objav potvrdzuje, že cesta k post-kremíkovej ére sa postupne formuje práve vďaka pokročilému výskumu svetla a jeho interakcie s hmotou. Časové kryštály nie sú len vedeckou kuriozitou, ale pravdepodobne kľúčovým prvkom pre ďalšiu technologickú revolúciu v 21. storočí.

Čítajte viac z kategórie: Vesmír a veda