Dünyada ilk fotonik zaman kristalı işığı demək olar ki, dərhal formasını dəyişə bilər və bu da ultra sürətli optik texnologiyaya yol açır.

Beynəlxalq tədqiqat qrupu, optik davranışı son dərəcə qısa müddət ərzində güclü və dəfələrlə dəyişdirilə bilən ilk eksperimental olaraq nümayiş etdirilən tamamilə optik fotonik zaman kristalını (PTC) yaratdı.

École Polytechnique, Collège de France və Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) alimləri tərəfindən aparılan iş Nature jurnalında dərc edilib. Tədqiqatçılar materialı əvvəllər tədqiq edilməmiş terahers diapazonunda işıq-maddə qarşılıqlı təsir formasına keçirmək üçün HZDR-in TELBE superşüalanan terahers mənbəyindən istifadə ediblər.

Bu nailiyyət nəticədə ultra sürətli optik hesablamaları, qabaqcıl telekommunikasiya və yeni növ terahers lazerləri dəstəkləyə bilər.

İşığı İdarə Etməyin Yeni Bir Yolu

Bir çox müasir texnologiyalar işığın bir materialdan keçərkən və ya onunla qarşılıqlı təsirdə olduqda necə davrandığını idarə etməkdən asılıdır. Optik liflər rabitə şəbəkələri vasitəsilə məlumatları istiqamətləndirir, lazerlər dəqiq işıq mənbələri təmin edir və optik sensorlar kimya və biologiyada geniş istifadə olunur.

École Polytechnique tədqiqatçıları hazırda bu nəzarəti terahers (THz) tezlik diapazonuna genişləndirmək üzərində işləyirlər. École Polytechnique-in dosenti Yannis Laplas və onun Şüalanmış Bərk Cismlər Laboratoriyasındakı (LSI) komandası bu tezliklərdə işığı manipulyasiya edə bilən fotonik cihazlar hazırlayırlar.

Terahers diapazonu elektron komponentlər tərəfindən istifadə edilən tezliklərdən təxminən 1000 dəfə daha sürətli işləyir. Bu bölgəyə maraq artır, çünki o, maddəni müşahidə etmək, təhlil etmək və manipulyasiya etmək üçün 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.”

Fotonik Kristallardan Fotonik Zaman Kristallarına

Adi fotonik kristallar, fotonların necə hərəkət etdiyinə təsir edən təkrarlanan optik naxışda (məsələn, qəfəsdə) düzülmüş nanostrukturlu materiallardır. Materialların sınma indeksini və həndəsəsini idarə etməklə, elm adamları işığın müəyyən dalğa uzunluqlarını bloklaya, yönləndirə və ya gücləndirə bilərlər. Bu şəkildə, fotonik kristallar, yarımkeçiricilərin elektronları idarə etmə tərzinə bənzər bir rol oynayır .

Eyni tədqiqat qrupunun əvvəlki təcrübələri göstərdi ki, temperaturun dəyişməsi və ya maqnit sahələrinin tətbiqi fotonik kristalların işığı necə tutduğunu dəyişdirə bilər. Lakin bu dəyişikliklər tətbiq edildikdən sonra da sabit qaldı.

Yeni təcrübə fotonik zaman kristalını tətbiq etməklə bu məhdudiyyəti aşır. Bu sistemdə materialın optik xüsusiyyətləri (məsələn, əks etdirmə, rezonans tezliyi) işığın özünün rəqs dövrü ilə müqayisə edilə bilən pikosaniyə zaman şkalaları üzərində dinamik olaraq dəyişir.

“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.

Kompleks Plazmonik Metamaterialın Qurulması

Foton davranışında bu cür sürətli dəyişikliklərin baş verməsi tədqiqatçılardan yüksək ixtisaslaşmış bir cihaz dizayn etməsini tələb etdi. Thales-in Albert Fert Laboratoriyası və Polytechnique-in İnterfeyslər Fizikası (PICM) laboratoriyasının köməyi ilə komanda “plazmonik metamaterial” kimi tanınan bir növ fotonik kristal qurdu.

Quruluş, izolyasiya təbəqəsinin və indium və sürmə qarışığından hazırlanmış yarımkeçiricinin üzərində yerləşdirilmiş mikrometr miqyaslı, qranul şəklində qızıl naxışlardan ibarətdir. Qızıl strukturları metal və yarımkeçirici təbəqələr arasında fotonları saxlayan kiçik boşluqlar əmələ gətirir.

Yarımkeçiricinin səthi həyəcanlandıqda, elektronların birlikdə kollektiv dalğa kimi hərəkət etdiyi “səth plazmonları” əmələ gətirir. Bu koordinasiyalı hərəkət strukturun işığı tutmasına və rəqslərini saxlamasına imkan verir.

Ultra sürətli Terahers Modulyasiyası

Tədqiqatçılar daha sonra HZDR-in ELBE sürətləndiricisində yerləşən intensiv və tezliklə tənzimlənən terahers mənbəyi olan TELBE-dən istifadə edərək cihaza terahers lazer impulslarını yönəltdilər.

Təcrübə göstərdi ki, materialın optik xüsusiyyətləri, xüsusən də əks etdirmə qabiliyyəti, son dərəcə qısa müddət ərzində çox güclü şəkildə dəyişdirilə bilər. Həm böyük bir effektə (məsələn, bir obyekti tamamilə fərqli bir rəng yaymağa məcbur etmək), həm də çox sürətli reaksiyaya (pikosaniyə miqyasında – saniyənin milyardda biri) nail olmaq əvvəllər olduqca çətin idi.

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.”

Nəzəriyyə Nəticələri Təsdiqləyir

Təcrübə nəticələri, Kollec de Frans Universitetinin tədqiqatçı alimi Marko Şiro və onun komandası tərəfindən hazırlanmış nəzəri model tərəfindən dəstəkləndi. Model müşahidə edilən nəticələri təkrarladı və fotonların cihazın içərisində necə davrandığını izah etməyə kömək etdi.

Tədqiqatçılar həmçinin zamana əsaslanan modulyasiyanın metamaterial daxilində fotonların yayılmasını yarıya qədər azaltdığını aşkar etdilər. Başqa sözlə, fotonların daha az hissəsi materialdan əks olunmadan keçib.

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

Yeni Lazerlərə və Optik Texnologiyalara Doğru

Növbəti çətinlik foton itkilərini daha da azaltmaq və kristalın içərisində qalan fotonların sayını artırmaqdır. Tədqiqatçılar kifayət qədər güclü gücləndirmə əldə edə bilsələr, sistem olduqca çevik və tənzimlənən xüsusiyyətlərə malik yeni lazerlər üçün əsas ola bilər.

Fotonik zaman kristalları, xüsusən də terahers diapazonunda işığın texnologiyada necə istifadə olunduğunu sonda dəyişdirə bilər. Onların işığı qeyri-adi dərəcədə qısa zaman aralığında dəyişdirmək qabiliyyəti tibbi görüntüləmə və rabitə üçün ultra sürətli lazerlərə səbəb ola bilər.

Eyni yanaşma, işığın xüsusiyyətlərini tələb olunduqda tənzimləməyi, məsələn, onun “rəngini” və ya intensivliyini demək olar ki, dərhal dəyişdirməyi mümkün edə bilər. Bu qabiliyyət daha ağıllı, daha sürətli və daha uyğunlaşa bilən optik sistemlərə gətirib çıxara bilər.