Doğada sıvıların katıya dönüşmesi sıkça karşılaştığımız bir durumdur. Volkanlardan akan lavlar zamanla soğuyup sertleşerek kayaya dönüşürken, göllerdeki su da kışın donarak buza dönüşebilir. Malzemeler bu faz değişimlerini geçirdiğinde, sesin ve ışığın içlerinden geçiş şeklini etkileyen yoğunluk ve kırılma indisi gibi önemli fiziksel özellikler de değişir.
Benzer bir süreç, optik fiberlerin üretiminde de önemli bir rol oynar. Cam ön formlar, yapıları inceltilebilecek kadar gevşeyene kadar ısıtılır ve son derece ince fiberlere dönüştürülür. Işık, fiberin çekirdeğinden geçerek bilgilerin uzun mesafelere hızla taşınmasını sağlar. Bu özellik, optik fiberleri modern telekomünikasyon için vazgeçilmez hale getirmiştir.
Bilim insanları ayrıca fiber lazerler, fiber endoskoplar ve fiber sensörler gibi teknolojiler için özel optik fiberler geliştirdi. Bazı içi boş çekirdekli fiberler gaz veya sıvılarla doldurularak sıcaklık dağılımlarını haritalayabiliyor, hatta kimyasal deneyler için minik laboratuvarlar olarak işlev görebiliyor.
Aşırı Sıcaklıklarda Sıvı Çekirdeğin Dondurulması
Erlangen'deki Max Planck Işık Bilimi Enstitüsü (MPL), Hannover Leibniz Üniversitesi (LUH) ve Jena'daki Leibniz Fotoni Teknolojileri Enstitüsü (IPHT) araştırmacıları, sıvı çekirdekli optik fiberleri (LiCOF) yepyeni bir yöne taşıdı.
Ekip, fiberlerin içindeki sıvıyı -196 °C'de azot kullanarak soğuttu ve çekirdekteki malzemenin sıvı halden katı hale geçmesini sağladı. Şaşırtıcı bir şekilde, çekirdeğin donması fiberin ışık taşıma özelliğini engellemedi.
Projeyi yürüten Prof. Dr. Birgit Stiller'in "Kuantum Optoakustik" araştırma grubunda yer alan ve makalenin üç baş yazarından biri olan Simon Seiderer konuyla ilgili şunları söyledi: "Önemli olan nokta, LiCOF'nin donmuş kısmının ışığı yönlendirme yeteneğini korumasıdır. Üstelik sadece bu da değil, fiberin hem sıvı hem de donmuş kısımları hipersonik ses dalgalarını da yönlendiriyor."
Işık ve Ses Bin Kattan Fazla Güçlü Etkileşime Giriyor
Araştırmacılar, donmuş fiberin içindeki ışık ve ses arasındaki alışılmadık derecede güçlü etkileşimden yararlandı. Brillouin-Mandelstam saçılması olarak adlandırılan bu olgu, aslında geleneksel optik fiberlerde de biliniyor.
Ancak sıvı çekirdeğin dondurulması, olağanüstü derecede yoğun ve sıkı bir şekilde sınırlanmış bir ortam yaratıyor. Bu koşullar altında, ışık ve ses arasındaki etkileşim standart optik fiberlere kıyasla bin kattan fazla daha güçlü hale geliyor.
Bu çarpıcı artış, ekiplerin fiber içindeki fotonik nöromorfik bilişimde kullanılabilecek kilit bir bileşen olan optoakustik belleği göstermesini sağladı.
Bu yaklaşım, ışık ve ses hızları arasındaki devasa farka dayanıyor. Hızlı hareket eden bir ışık dalgası tarafından taşınan bilgi, çok daha yavaş olan ses dalgalarına aktarılıyor, burada geçici olarak tutuluyor ve ardından tekrar ışığa dönüştürülüyor.
Dondurulmuş LiCOF, ışık ve ses arasında bu kadar verimli bir etkileşim sağladığı için, bu teknoloji gelecekteki fotonik bilişim sistemlerinin ihtiyaç duyduğu enerji miktarını keskin bir şekilde azaltmanın yeni yollarını sunabilir.
Fotonik ve Kuantum Teknolojisi İçin Yeni Bir Platform
Bu çalışma, sıvı çekirdekli optik fiberlerle ilgili araştırmalara öncülük eden IPHT Jena'dan Prof. Markus Schmidt ve Prof. Mario Chemnitz ile uzun süredir devam eden bir işbirliğine dayanıyor. Dondurma adımının eklenmesi, araştırmacıların fiber içinde çok daha büyük doğrusal olmayan etkiler elde etmesini sağladı.
Stiller, "Sıvı çekirdeği dondurarak, kullanımı kolay olmasının yanı sıra aşırı doğrusal olmayan etkiler sağlayan yepyeni bir fiziksel platform yarattık" dedi ve sözlerini şöyle sürdürdü: "Son derece verimli bir optoakustik belleği göstermek harika bir ilk adım olsa da, bu düzeydeki ışık-ses eşleşmesi yalnızca nöromorfik bilişim için değil, aynı zamanda kuantum bilgi işleme, mikrodalga fotonikleri ve yüksek hassasiyetli algılama için de heyecan verici yeni olanaklar açıyor."
