Vedci zmrazili optické vlákno na -196 °C. Zvuk a svetlo reagovali prekvapivo

Optické vlákna dnes považujeme za samozrejmosť. Prenášajú terabajty dát naprieč kontinentmi a tvoria chrbticu moderného digitálneho sveta. Nemeckí fyzici z Max Planck Institute for the Science of Light v Erlangene spolu s kolegami z univerzity v Hannoveri a inštitútu IPHT v Jene však prišli s experimentom, ktorý mení zavedené pravidlá fotoniky.

Vedci vzali špeciálne optické vlákno s kvapalným jadrom a pomocou tekutého dusíka ho schladili na extrémnych -196 °C. Kvapalina vo vnútri okamžite stuhla, no vlákno nielenže neprestalo fungovať, ale vyvolalo jav, ktorý predčil všetky očakávania. Interakcia medzi svetlom a zvukom sa vo vnútri zosilnila viac ako 1 000-násobne oproti bežným štandardným vláknam.

Tento prelomový krok otvára dvere k úplne novým typom optických pamätí a fotonickým procesorom, ktoré dokážu spracovávať dáta s minimálnou spotrebou energie. Podobne revolučné pokroky v materiálovej vede ukazujú, ako detailné skúmanie štruktúr posúva hranice možného, čo potvrdzujú aj ďalšie fascinujúce vedecké objavy.

Keď kvapalina v jadre zamrzne na kosť

Klasické optické vlákna sa vyrábajú z kremičitého skla, ktoré sa za vysokých teplôt vyťahuje do mikroskopicky tenkých vlákien. Svetelný lúč sa v nich šíri vďaka fenoménu totálneho odrazu. V posledných rokoch sa však do popredia dostávajú vlákna s dutým alebo kvapalným jadrom, označované skratkou LiCOF (Liquid Core Optical Fiber).

Tieto špeciálne štruktúry umožňujú vedcom meniť vlastnosti prechádzajúceho svetla, analyzovať chemické reakcie v reálnom čase alebo merať teplotné polia. Doteraz sa však predpokladalo, že jadro musí zostať v tekutom stave, aby si zachovalo svoje unikátne optické vlastnosti.

Výskumný tím pod vedením profesorky Birgit Stiller sa rozhodol tento predpoklad spochybniť. Vystavenie vlákna tekutému dusíku premenilo vnútorné médium na pevnú látku. Kľúčovým prekvapením bolo, že zmrazený úsek nestratil schopnosť viesť svetlo a súčasne dokázal viesť aj hypersonické zvukové vlny.

Brillouinov rozptyl na steroidoch

Hlavným cieľom experimentu bolo preskúmať nelineárny jav známy ako Brillouinov-Mandelstamov rozptyl. Ide o fyzikálny proces, pri ktorom dochádza k vzájomnému ovplyvňovaniu fotónov svetla a fonónov, teda kvánt akustických vibrácií materiálu.

V bežných sklenených vláknach je tento efekt prítomný, no jeho intenzita je pomerne slabá. Keď však vedci kvapalinu v jadre zmrazili, vytvorili mimoriadne husté a priestorovo stiesnené prostredie. Práve táto zmena štruktúry umožnila rekordné previazanie svetla a zvuku.

Podľa vedca Simona Seiderera, jedného z hlavných autorov štúdie, dosiahla sila tejto interakcie hodnoty, ktoré sú v konvenčných optických systémoch nepredstaviteľné. Zvukové vlny dokážu svetelný signál modulovať s nevídanou presnosťou a efektivitou.

Optoakustická pamäť pre superpočítače

Prečo je vlastne prepojenie svetla so zvukom také dôležité pre budúcnosť technológií? Odpoveď leží v obrovskom rozdiele medzi rýchlosťou svetla a rýchlosťou zvuku. Svetlo sa pohybuje obrovskou rýchlosťou, čo je skvelé na prenos informácií, no veľmi náročné na ich ukladanie v reálnom čase.

Zvukové vlny v materiáli sa pohybujú státisíckrát pomalšie. Vďaka extrémne silnej väzbe v zmrazenom vlákne dokázali vedci previesť informáciu nesenú svetelným pulzom do pomalej akustickej vlny. Zvuková vlna slúži ako dočasné úložisko, z ktorého sa dáta po chvíli opäť prečítajú a premenia späť na svetlo.

Týmto spôsobom tím demonštroval plne funkčnú optoakustickú pamäť. Tento komponent predstavuje svätý grál pre neuromorfný fotonický hardvér, teda čipy inšpirované ľudským mozgom, ktoré namiesto elektrónov počítajú pomocou fotónov.

Od kvantových sietí po extrémne senzory

Výskum stavia na dlhoročnej práci odborníkov z Jena IPHT, ktorí vyvinuli samotnú technológiu kvapalných vlákien. Pridanie kryogénneho chladenia však zmenilo pravidlá hry a vytvorilo univerzálnu platformu pre experimentálnu fyziku.

Neuromorfné počítače nie sú jedinou oblasťou, kde nájde novinka uplatnenie. Mimoriadne silná nelinearita je kľúčová aj pre spracovanie kvantovej informácie, kde je potrebné kontrolovať jednotlivé fotóny bez ich zničenia alebo nežiaduceho zahrievania okolia.

Ďalšou sľubnou sférou je mikrovlnná fotonika a ultra-presné senzory. Zmrazené vlákno dokáže detegovať nepatrné zmeny tlaku, teploty či vibrácií na úrovniach, ktoré boli doterajšími metódami prakticky nezmerateľné.

Fotonika bez energetických limitov

Súčasné dátové centrá a superpočítače narážajú na tvrdé fyzikálne limity v podobe spotreby elektriny a generovaného tepla. Prechod od elektrických obvodov k optickým výpočtom sľubuje zníženie energetických nárokov o celé rády.

Technológia vyvinutá v Nemecku ukazuje, že optické pamäte nemusia vyžadovať zložité a drahé polomateriálové štruktúry. Zmrazené kvapalné jadro ponúka robustný a pritom prekvapivo flexibilný systém pre manipuláciu s informáciami na kvantovej aj klasickej úrovni.

Hoci je systém zatiaľ testovaný v laboratórnych podmienkach pri kryogénnych teplotách, poskytuje teoretický aj praktický základ pre novú generáciu fotonických architektúr. Integrácia optoakustických prvkov do kompaktných zariadení môže v najbližších rokoch definovať smer, akým sa bude uberať vývoj superpočítačov.

Čítajte viac z kategórie: Novinky