Uluslararası bir araştırma ekibi, optik davranışını zaman içinde hızlı ve tekrarlayan bir şekilde değiştirebilen, dünyanın ilk tamamen optik fotonik zaman kristalini (PTC) deneysel olarak üretti. Araştırmaya École Polytechnique, Collège de France ve Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf'tan (HZDR) bilim insanları katıldı.
Nature dergisinde yayımlanan bu başarı, HZDR'nin güçlü TELBE süperradyan terahertz kaynağı sayesinde mümkün oldu. Sistem, bilim insanlarının terahertz aralığında daha önce erişilemeyen bir ışık-madde etkileşimi biçimini keşfetmesine olanak tanıdı. Gelecekte bu yaklaşım, ultra hızlı optik bilgisayarlara, gelişmiş telekomünikasyona ve tamamen yeni terahertz lazerlerine katkıda bulunabilir.
Işığın malzemeler içinde nasıl davrandığını kontrol etmek, modern hayatı şekillendiren teknolojilere yol açtı. Optik fiberler iletişim ağlarında bilgi taşırken, lazerler son derece hassas ışık kaynakları sağlıyor ve optik sensörler kimya ve biyolojide yaygın olarak kullanılıyor.
Terahertz Teknolojisinin Sınırlarını Keşfetmek
École Polytechnique'de yardımcı doçent olan Yannis Laplace ve Işınlanmış Katılar Laboratuvarı'ndaki (LSI) ekibi, terahertz (THz) frekans aralığında ışığı kontrol edebilen fotonik cihazlar üzerinde çalışıyor. Elektromanyetik spektrumun büyük ölçüde kullanılmayan bu kısmı, geleneksel elektronik ve fotonik arasında yer alıyor. Bu alandaki araştırmalar hızla ilerliyor çünkü elektronik bileşenlerde kullanılanlardan 1.000 kat daha hızlı olan terahertz frekansları, maddeyi incelemek ve manipüle etmek için güçlü yeni yollar sunabilir.
Laplace, "THz aralığı, elektronik ve fotonik teknolojiler arasındaki sınırı temsil ediyor. Hem bilim hem de toplum için fırsatlarla dolu bir aralık, ancak teknolojik olarak elektriksel ve fotonik benzerlerine kıyasla hâlâ az gelişmiş durumda. Fotonik kristaller oluşturmak bu boşluğu kapatmanın yolunu açabilir" dedi.
Işığı Zaman İçinde Kontrol Etmek
Geleneksel fotonik kristaller, fotonların içlerinde nasıl hareket edeceğini belirleyen tekrarlayan bir optik desen (kafes gibi) içeren nano yapılı malzemelerdir. Bilim insanları, farklı şekil ve kırılma indislerine sahip malzemeleri dikkatlice düzenleyerek seçilen ışık dalga boylarını bloke edebilir, yönlendirebilir veya güçlendirebilir. Bu anlamda fotonik kristaller, fotonları yarı iletkenlerin elektronları kontrol etmesine benzer bir şekilde kontrol eder.
Ekip tarafından yapılan önceki deneyler, sıcaklık ve manyetik alanların fotonik kristallerin ışığı yakalama yeteneğini değiştirebileceğini göstermişti. Ancak bu koşullar oluşturulduktan sonra optik davranış zaman içinde sabit kalıyordu. Yeni cihaz çok daha ileri gidiyor. Optik özellikleri (yansıtıcılık, rezonans frekansı gibi), ışığın kendi salınımlarının zaman ölçeğine yakın olan pikosaniye zaman ölçeklerinde dinamik olarak değiştirilebiliyor. Fotonik zaman kristali, yalnızca uzayda düzenlenmiş desenlere güvenmek yerine, zamanda tekrarlayan bir desen sunuyor.
École Polytechnique'de doktora öğrencisi ve yayının baş yazarı Tingwen Guo, "Fotonik kristalleri uzaydan zamana genişleterek, ışık kontrolü için yeni bir boyut ve amplifikasyon ile lazerlemeye yeni bir yol açıyoruz. Bu, terahertz frekanslarında ve ötesinde optik teknolojiler için oyunun kurallarını değiştirebilir" dedi.
Işığı Hapseden Bir Metamalzeme İnşa Etmek
Bu kadar hızlı bir kontrol yaratmak, oldukça uzmanlaşmış ve karmaşık bir cihaz gerektiriyordu. Thales'in Laboratoire Albert Fert ve Polytechnique'in Arayüzler Fiziği (PICM) laboratuvarının desteğiyle araştırmacılar, "plazmonik metamalzeme" olarak bilinen bir fotonik kristal formu inşa etti. Malzeme, bir yalıtım katmanı ve indiyum ile antimon karışımından yapılmış bir yarı iletkenin üzerine yerleştirilmiş mikrometre ölçeğinde altın tırtıklı yapılar içeriyor. Altın yapılar, ışığı altın ve yarı iletken katmanlar arasında hapseden küçük boşluklar oluşturuyor.
Yarı iletken yüzey uyarıldığında, ışığı yakalayabilen ve salınımlarını sürdürebilen kolektif elektron dalgaları olan "yüzey plazmonları" üretiyor. Bu etkileşim, araştırmacılara hapsolmuş fotonları olağanüstü bir hızla manipüle etme yolu sağladı.
Optik Özellikler Pikosaniyeler İçinde Değişti
Ekip, cihazı HZDR'nin ELBE hızlandırıcısındaki TELBE tarafından üretilen terahertz lazer darbelerine maruz bıraktı. Kaynak, farklı frekanslara ayarlanabilen yoğun terahertz radyasyonu ürettiği için araştırmacılar, malzemenin optik özelliklerini, özellikle de yansıtıcılığını hem güçlü hem de hızlı bir şekilde değiştirebildi. Bu iki etkiyi aynı anda elde etmek büyük bir teknik engeldi. Değişimin gücü, bir nesneyi tamamen farklı bir renk yaymaya zorlamakla kıyaslanabilirken, dönüşüm pikosaniye ölçeğinde (bir milyarda birinin milyarda biri) gerçekleşti.
TELBE tesisinin koordinatörü Jan-Christoph Deinert, "TELBE'nin yüksek alanlı, faz kararlı terahertz darbeleri üretme konusundaki benzersiz yeteneği kritik öneme sahipti. Bu altyapı olmadan, PTC rejimi için gereken tutarlı, ultra hızlı modülasyonu elde etmek imkansız olurdu" dedi.
Bir Model Fotonların Davranışını Açıklıyor
Collège de France'da Araştırma Bilim İnsanı Marco Schiró ve ekibi tarafından geliştirilen teorik bir model, deneysel bulguları destekledi ve fotonların cihaz içinde nasıl davrandığını açıklamaya yardımcı oldu. Hesaplamalar ayrıca, malzemenin zaman içinde değiştirilmesinin foton kaybını yarı yarıya azalttığını gösterdi. Bu bağlamda kayıp, yansıtılmayan ve bunun yerine metamalzemenin yüzeyinden geçen fotonların oranını ifade ediyor.
Schiró, "Teori sadece deneyi yeniden üretmekle kalmıyor, aynı zamanda bu sistemdeki gelecekteki keşiflere rehberlik etmek için de temel sağlıyor" dedi.
Ultra Hızlı Lazerler ve Optik Bilgisayarlara Doğru
Araştırmacılar şimdi foton kaybını daha da azaltmak ve kristal içinde tutulan foton sayısını artırmak istiyor. Yeterince güçlü bir amplifikasyon üretebilirlerse, cihaz son derece uyarlanabilir yeni lazerlerin temeli olabilir. Fotonik zaman kristalleri, özellikle terahertz aralığında, teknolojide ışığın kullanılma şeklini kökten değiştirebilir. Işığı son derece kısa zaman ölçeklerinde değiştirme yetenekleri, tıbbi görüntüleme ve iletişim için ultra hızlı lazerleri destekleyebilir. Teknoloji ayrıca, ışığın 'rengi' veya yoğunluğu gibi özelliklerin neredeyse anında ve talep üzerine ayarlanmasını da mümkün kılabilir. Bu düzeyde bir kontrol, daha hızlı, daha akıllı ve daha uyarlanabilir optik sistemlere yol açabilir.
