Işığı Anında Yönlendirmek: Yeni Çip Işık Demetlerini Saniyenin Trilyonda Birinden Kısa Sürede Saptırıyor!

Işık, son derece yüksek hızlarda muazzam miktarda bilgi taşıyabilir. Bu durum, fotonik teknolojilerini daha hızlı iletişim, daha güçlü hesaplama sistemleri ve daha hassas sensörlerin geliştirilmesi için umut verici hale getiriyor. Ancak ışığın bu amaçlar uğruna faydalı olabilmesi için mühendislerin ışığın nereye gideceğini kontrol edebilmesi ve onu hızlı bir şekilde yönlendirebilmesi gerekiyor. Caltech araştırmacıları tarafından geliştirilen yeni bir cihaz, bir ışık demetini kullanarak başka bir ışık demetini sadece 74 femtosaniyede (saniyenin 74 katrilyonda biri) farklı bir açıya yönlendiriyor. Bu süre, ışığın bir insan saçının teli kalınlığındaki mesafeyi katetmesi için gereken süreyle yaklaşık olarak aynıdır. Caltech'te Uygulamalı Fizik ve Malzeme Bilimi Howard Hughes Profesörü ve Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Bölümü Otis Booth Liderlik Kürsüsü Başkanı olan Dr. Harry Atwater bunu şöyle açıkladı:

Işığı ışıkla yönlendirmek çok zordur çünkü ışık tipik olarak madde ile çok zayıf bir şekilde etkileşime girer. Optik meta-yüzeyler (ultra ince, dikkatlice nano-mühendislikle üretilmiş tabakalar) kullanarak bunu çok daha yüksek bir verimlilikle mümkün kılmak için etkileşim gücünü artırabiliriz.

Ekip, bu çalışmayı Nature Nanotechnology dergisinde yayımlanan bir makalede anlatıyor. Makalenin başyazarı olan Claudio Hail, bu çalışmayı Caltech'teki Atwater'ın laboratuvarında doktora sonrası araştırmacı olarak tamamladı ve şu anda Kaliforniya Üniversitesi Berkeley'de (UC Berkeley) makine mühendisliği bölümünde yardımcı doçent olarak görev yapıyor.

Elektronik Hız Sınırlarını Aşmak

Projektörlerdeki sıvı kristal paneller veya telekomünikasyonda kullanılan optik çipler gibi ışığı yönlendiren veya modüle eden teknolojilerin çoğu, ışığın içinden nasıl geçtiğini değiştirmek için bir malzemenin elektronik özelliklerini değiştirmeye dayanır. Bu süreçte elektronlar daha yüksek enerji durumlarına uyarılır ve ardından fazla enerjiyi serbest bırakarak tekrar eski hallerine dönerler. Bu gevşeme süreci, ışığın yeniden yönlendirilme hızını sınırlar ve modülasyon hızlarını tipik olarak nanosaniyelere veya pikosaniyelere (saniyenin trilyonda biri) kısıtlar.

Atwater'ın araştırma grubu, elektrik sinyaline güvenmemeye karar verdi. Bunun yerine araştırmacılar, bir hedef malzemenin optik özelliklerini değiştirmek için özenle seçilmiş bir desene sahip olan ve "pompa" adı verilen yoğun bir ışık demeti kullandılar. Daha sonra "prob" adı verilen ikinci ve daha zayıf bir demet, malzemenin içinden geçerek pompanın yansıtılan desenine göre saptırılabildi.

Zayıf Bir Etkinin Güçlendirilmesi

Bu yaklaşım, yoğun bir ışık demetinin bir malzemenin kırılma indisini kısa bir süreliğine ve çok hafifçe değiştirebildiği optik Kerr etkisi adı verilen bir fenomen sayesinde mümkün olmaktadır. Kırılma indisi, ışığın bir ortamda ilerlerken ne kadar yavaşladığının ve dolayısıyla büküldüğünün bir ölçüsüdür. Işık demeti bunu, atom çekirdeğinin etrafında elektronların bulunma olasılığının yüksek olduğu bölgeler olan orbitallerindeki elektronların hareketini değiştirerek yapar.

Bu elektronların hiçbiri ayrı, daha uzun ömürlü durumlara uyarılmaz; bu nedenle etki, ışık darbesinin kendisi kadar hızlı bir şekilde ortaya çıkar ve kaybolur. Elektronların daha düşük enerji durumlarına dönmesi için beklemek gerekmez. Buradaki sorun, Kerr etkisinin tek başına bir ışık demetini pratik uygulamalar için anlamlı olacak kadar yönlendirecek güce sahip olmamasıdır.

Etkiyi güçlendirmek için araştırmacılar, amorf silisyumdan oluşan ince bir filmi bir meta-yüzey halinde, spesifik olarak her biri pompa ışığının dalga boyundan daha küçük olan nano boyutlu sütunlarla kaplı bir tabaka halinde şekillendirdiler. Bilim insanları bu minik sütunları, ışığın doğrudan kesintisiz geçip gitmek yerine bir süre oyalanıp meta-yüzey içinde yeniden dolaşacağı şekilde boyutlandırdı ve aralıklandırdı. Bu fazladan süre, silisyumdaki küçük kırılma indisi değişikliğinin etkisini büyüterek bir ışık demetini yönlendirecek kadar güçlü bir sinyal yaratıyor.

Lazer Darbesinin Belirlediği Hız

Bilim insanları, ışık demetlerini sadece 74 femtosaniyede 13 dereceye kadar açılarla yönlendirmek için meta-yüzeyi ve bu yeni yaklaşımı kullandılar. Ayrıca ışık modülasyonu hızının, pompa demetinin (o da 74 femtosaniyeydi) darbesi ile sınırlı olduğunu gösterdiler.

Araştırmacılar, mevcut modülasyon hızının meta-malzemenin içsel özelliklerinden ziyade sistemi yönlendiren lazer darbelerinin süresine bağlı olduğuna dikkat çekiyor. Biraz daha çalışmayla bu hız geliştirilebilir ve zaman kristalleri ile sentetik zamanla değişen optik malzemeler gibi gelişmekte olan fotonik konseptlerinin arasına girebilecek bir seviyeye taşınabilir.