Beynəlxalq tədqiqat qrupu, optik davranışını zamanla sürətlə və dəfələrlə dəyişdirmək üçün hazırlanmış ilk tamamilə optik fotonik zaman kristalını (PTC) eksperimental olaraq istehsal etdi. Tədqiqatçılar Fransa Kolleci və Drezden-Rossendorfdakı Helmholtz-Zentrum (HZDR) Politexnik Məktəbindən idilər.

“Nature” jurnalında dərc olunmuş məlumata görə , bu nailiyyət HZDR-in güclü TELBE superşüalanan terahers mənbəyi sayəsində mümkün olub. Sistem alimlərə terahers diapazonunda əvvəllər əlçatmaz olan işıq-maddə qarşılıqlı təsirini araşdırmağa imkan verib. Gələcəkdə bu yanaşma ultrasürətli optik kompüterlərə, qabaqcıl telekommunikasiyaya və tamamilə yeni terahers lazerlərinə töhfə verə bilər.

İşığın materialların içərisində necə davrandığını idarə etmək artıq müasir həyatı formalaşdıran texnologiyalara gətirib çıxarıb. Optik liflər rabitə şəbəkələri vasitəsilə məlumat ötürür, lazerlər yüksək dəqiqlikli işıq mənbələri təmin edir və optik sensorlar kimya və biologiyada geniş istifadə olunur.

Terahertz Texnologiya Sərhədini Kəşf Etmək

École Politexnik Məktəbində dosent Yannis Laplas və Şüalanmış Bərk Cismlər Laboratoriyasındakı (LSI) komandası terahers (THz) tezlik diapazonunda işığı idarə edə bilən fotonik cihazlar üzərində işləyirlər.

Elektromaqnit spektrinin bu, əsasən az istifadə edilən hissəsi ənənəvi elektronika və fotonika arasında yerləşir. Bu sahədə tədqiqatlar sürətlə inkişaf edir, çünki elektron komponentlər üçün istifadə ediləndən 1000 dəfə daha sürətli olan terahers tezlikləri maddəni araşdırmaq və manipulyasiya etmək üçün güclü yeni yollar təklif edə bilər.

Laplas izah edir ki, “THz diapazonu elektron və fotonik texnologiyalar arasındakı sərhədi təmsil edir. Bu, həm elm, həm də cəmiyyət üçün imkanlarla dolu bir diapazondur, lakin elektrik və fotonik analoqları ilə müqayisədə texnoloji cəhətdən hələ də inkişaf etməmişdir. Fotonik kristalların yaradılması bu boşluğun aradan qaldırılmasına yol aça bilər.”

Zamanla İşığı İdarə Etmək

Adi fotonik kristallar, fotonların onlardan necə keçdiyini müəyyən edən təkrarlanan optik naxışa (məsələn, qəfəs) malik nanostrukturlu materiallardır. Alimlər müxtəlif formalara və sınma indekslərinə malik materialları diqqətlə yerləşdirməklə seçilmiş işığın dalğa uzunluqlarını bloklaya, istiqamətləndirə və ya gücləndirə bilərlər. Bu mənada, fotonik kristallar fotonları yarımkeçiricilərin elektronları necə idarə etdiyinə bənzər şəkildə idarə edir.

Komandanın əvvəlki təcrübələri göstərdi ki, temperatur və maqnit sahələri fotonik kristalların işığı tutma qabiliyyətini dəyişdirə bilər. Lakin, bu şərtlər müəyyən edildikdən sonra optik davranış zamanla sabit qaldı.

Yeni cihaz daha da irəli gedir. Onun optik xüsusiyyətləri (məsələn, əks etdirmə qabiliyyəti, rezonans tezliyi) işığın öz rəqslərinin zaman şkalasına yaxın, pikosaniyə zaman şkalasında dinamik olaraq dəyişdirilə bilər. Fotonik zaman kristalı yalnız fəzada düzülmüş nümunələrə etibar etmək əvəzinə, zamanla təkrarlanan nümunə təqdim edir.

“Fotonik kristalları kosmosdan zamana uzatmaqla, işığın idarə olunması üçün yeni bir ölçü və gücləndirmə və lazerləşdirməyə doğru yeni bir yol açırıq. Bu, terahers tezliklərində və daha yüksək tezliklərdə optik texnologiyalar üçün oyun dəyişdiricisi ola bilər”, – deyə École Polytechnique-in doktorantı və nəşrin aparıcı müəllifi Tingwen Guo izah edir.

İşığı Tutan Bir Metamaterial Quruluşu

Belə sürətli idarəetmənin yaradılması yüksək ixtisaslaşmış və mürəkkəb bir cihaz tələb edirdi. Thales-in Albert Fert Laboratoriyası və Polytechnique-in İnterfeyslər Fizikası (PICM) laboratoriyasının dəstəyi ilə tədqiqatçılar “plazmonik metamaterial” kimi tanınan fotonik kristal forması qurdular.

Material, izolyasiya təbəqəsinin və indium və sürmə qarışığından hazırlanmış yarımkeçirici materialın üzərində yerləşdirilmiş mikrometr miqyaslı qızıl örtüklü strukturlardan ibarətdir. Qızıl strukturları işığı qızıl və yarımkeçirici təbəqələr arasında saxlayan kiçik boşluqlar əmələ gətirir.

Yarımkeçirici səth həyəcanlandıqda, işığı tuta və onun rəqslərini saxlaya bilən elektronların kollektiv dalğaları olan “səth plazmonları” əmələ gətirir. Bu qarşılıqlı təsir tədqiqatçılara tələyə düşmüş fotonları müstəsna sürətlə manipulyasiya etmək üçün bir yol verdi.

Pikosaniyədə Dəyişən Optik Xüsusiyyətlər

Komanda cihazı HZDR-in ELBE sürətləndiricisində TELBE tərəfindən istehsal olunan terahers lazer impulslarına məruz qoydu. Mənbə müxtəlif tezliklərə uyğunlaşdırıla bilən intensiv terahers radiasiyası yaratdığı üçün tədqiqatçılar materialın optik xüsusiyyətlərini, xüsusən də əks etdirmə qabiliyyətini həm güclü, həm də sürətlə dəyişdirə bildilər.

Bu iki effektin eyni anda əldə edilməsi böyük texniki maneə idi. Dəyişikliyin gücü, bir obyektin tamamilə fərqli bir rəng yaymasına məcbur edilməsi ilə müqayisə edilə bilərdi, transformasiya isə pikosaniyə miqyasında – saniyənin milyardda biri qədər baş verdi.

TELBE qurğusunun koordinatoru Jan-Christoph Deinert təsdiqlədi ki, “TELBE-nin yüksək sahəli, faza sabit terahers impulsları yaratmaq üçün unikal qabiliyyəti çox vacib idi. Bu infrastruktur olmadan PTC rejimi üçün lazım olan ardıcıl, ultra sürətli modulyasiyaya nail olmaq mümkün olmazdı.”

Bir Model Fotonların Davranışını İzah Edir

Kollec de Fransda tədqiqatçı alim Marko Şiro və onun komandası tərəfindən hazırlanmış nəzəri model, eksperimental tapıntıları dəstəklədi və fotonların cihazın içərisində necə davrandığını izah etməyə kömək etdi.

Hesablamalar həmçinin göstərdi ki, materialın zamanla dəyişdirilməsi fotonların yayılmasını yarıya endirir. Bu kontekstdə, yayılma əks olunmayan və metamaterialın səthindən keçən fotonların hissəsinə aiddir.

“Nəzəriyyə təkcə təcrübəni təkrarlamır, həm də bu sistemdə gələcək kəşflərə rəhbərlik etmək üçün əsas yaradır”, – deyə Şiro sevindi.

Ultrasürətli Lazerlərə və Optik Kompüterlərə Doğru

Tədqiqatçılar indi fotonların yayılmasını daha da azaltmaq və kristal daxilində saxlanılan fotonların sayını artırmaq istəyirlər. Əgər onlar kifayət qədər güclü gücləndirmə yarada bilsələr, cihaz yüksək dərəcədə uyğunlaşa bilən yeni lazerlər üçün əsas ola bilər.

Fotonik zaman kristalları, xüsusən də terahers diapazonunda işığın texnologiyada necə istifadə olunduğunu sonda dəyişdirə bilər. Onların işığı son dərəcə qısa zaman aralığında dəyişdirmək qabiliyyəti tibbi görüntüləmə və rabitə üçün ultrasürətli lazerləri dəstəkləyə bilər.

Texnologiya həmçinin işığın “rəngi” və ya intensivliyi kimi xüsusiyyətləri demək olar ki, dərhal və tələb olunduqda tənzimləməyə imkan verə bilər. Bu səviyyədə nəzarət daha sürətli, daha ağıllı və daha uyğunlaşa bilən optik sistemlərə gətirib çıxara bilər.