Fotonik zaman kristalleri terahertz aralığında ışığın ultra hızlı kontrolünün kilidini açar

École Polytechnique, Collège de France ve Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf’tan (HZDR) oluşan uluslararası bir araştırmacı ekibi, dünyada bir ilki başardı: optik özellikleri ultra hızlı zaman ölçeklerinde güçlü ve periyodik olarak modüle edilebilen bir malzeme olan tamamen optik bir fotonik zaman kristalinin (PTC) deneysel olarak gerçekleştirilmesi.

Yayınlandığı yer DoğaBu buluş, sistemi terahertz aralığında yeni bir ışık-madde etkileşimi rejimine yönlendirmek için HZDR’nin TELBE süper radyant terahertz kaynağını kullanıyor. Bu keşif, ultra hızlı optik hesaplamanın, yeni telekomünikasyon sistemlerinin ve nihayetinde yeni terahertz lazer türlerinin önünü açıyor.

Malzemelerle etkileşime giren ışığın özelliklerini şekillendirmek, telekomünikasyon için optik fiberler, ışık kaynağı olarak lazerler ve kimya ve biyoloji için sensörler dahil olmak üzere birçok keşif ve teknolojik ilerlemenin temelidir.

École Polytechnique’de bilim insanları henüz geniş çapta kullanılmayan bir teknolojinin temelini atıyor. Ecole Polytechnique’de yardımcı doçent olan Yannis Laplace ve Işınlanmış Katılar Laboratuvarı’ndaki (LSI) ekibi, terahertz (THz) frekans aralığında ışığı kontrol etmek için yeni fotonik cihazlar geliştiriyor.

Elektronik bileşenler için kullanılanlardan 1000 kat daha hızlı olan bu frekans bandına ilişkin araştırmalar hızla ilerlemekte ve maddeyi gözlemlemek ve manipüle etmek için yeni anlayışların kilidini açabilir.

Laplace, “THz aralığı elektronik ve fotonik teknolojiler arasındaki sınırı temsil ediyor” diye açıklıyor. “Hem bilim hem de toplum için fırsatlarla dolu bir yelpaze, ancak elektriksel ve fotonik muadilleriyle karşılaştırıldığında teknolojik olarak hala az gelişmiş durumda. Fotonik kristallerin yaratılması bu açığın kapatılmasına yol açabilir.”

Atılım: Mekansal kontrolden zamansal kontrole

Bu fotonik kristaller, fotonların akışını kontrol eden periyodik bir optik desene (kafes gibi) sahip nanoyapılı malzemelerdir. Kırılma indisini ve farklı malzemelerin şekillerini akıllıca ayarlayarak, yarı iletkenlerin elektronları kontrol etmesine benzer şekilde belirli dalga boylarını bloke edebilir, yönlendirebilir veya geliştirebilirler.

Önceki çalışmalarda, bu araştırma ekibi sıcaklık veya manyetik alanların manipülasyonunun fotonik kristallerin ışık yakalama özelliklerini nasıl değiştirebileceğini göstermişti, ancak şimdiye kadar kontrolleri zaman içinde statikti.

Bu yeni çalışma, malzemenin optik özelliklerinin (örneğin, yansıtma, rezonans frekansı), ışığın kendi salınım döngüsüyle karşılaştırılabilecek şekilde pikosaniyelik zaman ölçeklerinde dinamik olarak modüle edildiği ilk fotonik zaman kristallerini tanıtıyor.

Doktora öğrencisi Tingwen Guo şöyle açıklıyor: “Fotonik kristalleri uzaydan zamana genişleterek, ışık kontrolü için yeni bir boyut ve amplifikasyon ve lazere doğru yeni bir yol açıyoruz. Bu, terahertz frekanslarında ve ötesindeki optik teknolojiler için oyunun kurallarını değiştirebilir.” École Polytechnique öğrencisi ve yayının baş yazarı.

Zorlu teknik zorlukların üstesinden gelmek

Fotonların özelliklerini zaman içinde değiştirebilme yeteneğinin kilidini açmak için bilim adamlarının karmaşık, türünün tek örneği bir cihaz yapması gerekiyordu. Thales Laboratuvarı Albert Fert ve Polytechnique’in Arayüzler Fiziği (PICM) laboratuvarının yardımıyla, “plazmonik metamateryal” adı verilen özel bir tür fotonik kristal yarattılar.

Altında bir yalıtım katmanı bulunan mikrometre ölçeğinde altın mazgallı yapılardan ve son olarak indiyum ve antimon karışımından yapılmış bir yarı iletken malzemeden oluşur. Bu mazgallar, fotonları altın katman ile yarı iletken katman arasında hapseden boşluklar görevi görür. Yarı iletkenin yüzeyinin uyarılması, elektronların ışığı yakalayabilen ve salınımlarını sürdürebilen bir tür kolektif dalga gibi davrandığı “yüzey plazmonlarına” yol açar.

Araştırmacılar, HZDR’nin ELBE hızlandırıcısındaki yoğun ve frekansı ayarlanabilir terahertz kaynağı TELBE’yi kullanarak bu cihaza terahertz lazer darbeleri göndererek, malzemenin optik özelliklerinin, özellikle de ışığı yansıtma yeteneğinin, çok kısa zaman dilimlerinde güçlü bir şekilde modüle edildiğini gösterdi.

Bu deneysel bir başarı çünkü hem çok güçlü (bir nesneyi tamamen farklı bir renk yaymaya zorlamak gibi) hem de çok hızlı (pikosaniye ölçeğinde – saniyenin milyarda birinin milyarda biri) modülasyonu başarmak son derece zordu.

TELBE tesisinin koordinatörü Jan-Christoph Deinert, “TELBE’nin yüksek alanlı, faz kararlı terahertz darbeleri üretme konusundaki benzersiz yeteneği kritik öneme sahipti” dedi. “Bu altyapı olmasaydı, PTC rejimi için gereken tutarlı, ultra hızlı modülasyonu başarmak imkansız olurdu.”

Deneysel gözlemlerin ötesinde, Collège de France’da araştırma bilimcisi olan Marco Schiró ve ekibi tarafından geliştirilen teorik bir model, deneysel sonuçları doğruladı ve fotonların cihaz içindeki davranışına ilişkin bir açıklama sağladı. Zamansal modülasyonun ayrıca meta malzeme içindeki foton yayılımını (yani yansıtılmayan ancak malzemenin yüzeyinden geçen fotonların oranını) yarı yarıya azalttığı da gösterildi.

Schiró, “Teori sadece deneyi yeniden üretmekle kalmıyor, aynı zamanda bu sistemdeki gelecekteki keşiflere rehberlik edecek temeli de sağlıyor” dedi.

Gelecekteki optik uygulamaları etkinleştirme

Bir sonraki adım, fotonların kristaller boyunca yayılmasının nasıl önleneceğini ve cihaz içinde sıkışan fotonların sayısının nasıl artırılacağını belirlemek olacaktır. Yüksek düzeyde amplifikasyonla, benzersiz modülerliğe sahip yeni lazerlerin kaynağı olabilirler.

Bu buluş, özellikle terahertz aralığında, teknolojide ışığı kullanma şeklimizi değiştirebilir. Işığın bu kadar kısa zaman ölçeklerinde modülasyonunu mümkün kılan bu fotonik zaman kristalleri, bizi tıbbi görüntüleme ve iletişim için yeni tip ultra hızlı lazerlere yaklaştırıyor ve daha akıllı, daha uyarlanabilir optik sistemler için “renk” veya yoğunluğunu anında değiştirmek gibi ışığın özelliklerinin isteğe bağlı olarak ayarlanmasını sağlıyor.