Kierowanie światła z miejsca na miejsce jest podstawą naszego współczesnego świata. Pod oceanami i między kontynentami kable światłowodowe przenoszą światło, które koduje wszystko, od filmów z YouTube po transmisje bankowe – wszystko to w pasmach wielkości włosa.
Profesor Jiwoong Park z University of Chicago zastanawiał się jednak, co by się stało, gdyby zrobić jeszcze cieńsze i bardziej płaskie pasma – w efekcie tak cienkie, że w rzeczywistości są 2D zamiast 3D. Co stałoby się ze światłem?
Dzięki serii innowacyjnych eksperymentów on i jego zespół odkryli, że tafla szklanego kryształu o grubości zaledwie kilku atomów może uwięzić i przenosić światło. Nie tylko to, ale był zaskakująco wydajny i mógł pokonywać stosunkowo duże odległości – do centymetra, co jest bardzo daleko w świecie komputerów opartych na świetle.
Badania, opublikowane 10 sierpnia w Science, pokazują, czym są zasadniczo obwody fotoniczne 2D i mogą otworzyć drogę do nowej technologii.
„Byliśmy całkowicie zaskoczeni tym, jak potężny jest ten supercienki kryształ; nie tylko może przechowywać energię, ale dostarcza ją tysiąc razy dalej, niż ktokolwiek widział w podobnych systemach” – powiedział główny autor badań Jiwoong Park, profesor i przewodniczący chemia i członek wydziału James Franck Institute i Pritzker School of Molecular Engineering. „Uwięzione światło również zachowywało się tak, jakby podróżowało w przestrzeni 2D”.
Światło przewodnie
Nowo wynaleziony system to sposób prowadzenia światła – znany jako falowód – który jest zasadniczo dwuwymiarowy. W testach naukowcy odkryli, że mogą użyć bardzo małych pryzmatów, soczewek i przełączników, aby poprowadzić ścieżkę światła wzdłuż chipa – wszystkie składniki obwodów i obliczeń.
Obwody fotoniczne już istnieją, ale są znacznie większe i trójwymiarowe. Co najważniejsze, w istniejących falowodach cząstki światła – zwane fotonami – zawsze przemieszczają się wewnątrz falowodu.
Naukowcy wyjaśnili, że w tym systemie szklany kryształ jest w rzeczywistości cieńszy niż sam foton – więc część fotonu faktycznie wystaje z kryształu podczas podróży.
To trochę jak różnica między budowaniem rury do wysyłania walizek na lotnisko, a ustawianiem ich na taśmie przenośnika. Dzięki przenośnikowi taśmowemu walizki są otwarte i można je łatwo zobaczyć i wyregulować w drodze. Takie podejście znacznie ułatwia budowanie skomplikowanych urządzeń ze szklanych kryształów, ponieważ światło można łatwo przenosić za pomocą soczewek lub pryzmatów.
Fotony mogą również doświadczać informacji o warunkach po drodze. Pomyśl o sprawdzeniu walizek przychodzących z zewnątrz, aby zobaczyć, czy na zewnątrz pada śnieg. Podobnie naukowcy mogą sobie wyobrazić wykorzystanie tych falowodów do budowy czujników na poziomie mikroskopowym.
„Załóżmy na przykład, że masz próbkę płynu i chcesz wyczuć, czy obecna jest dana cząsteczka” – wyjaśnił Park. „Można zaprojektować to tak, aby ten falowód przechodził przez próbkę, a obecność tej cząsteczki zmieniłaby zachowanie światła”.
Naukowcy są również zainteresowani budowaniem bardzo cienkich obwodów fotonicznych, które można układać w stosy, aby zintegrować wiele innych małych urządzeń w tym samym obszarze chipa. Szklany kryształ, którego użyli w tych eksperymentach, to dwusiarczek molibdenu, ale zasady powinny działać w przypadku innych materiałów.
Chociaż naukowcy teoretyczni przewidywali, że takie zachowanie powinno zaistnieć, w rzeczywistości uświadomienie sobie tego w laboratorium było podróżą trwającą lata, powiedzieli naukowcy.
„To był naprawdę trudny, ale satysfakcjonujący problem, ponieważ wkraczaliśmy w zupełnie nową dziedzinę. Więc wszystko, czego potrzebowaliśmy, musieliśmy wymyślić sami – od wyhodowania materiału po pomiar ruchu światła” – powiedział doktorant Hanyu Hong, współautor artykułu.
Myungjae Lee (wcześniej badacz z tytułem doktora na UChicago, obecnie wykładowca na Uniwersytecie Narodowym w Seulu) był drugim pierwszym współautorem artykułu. Autorami artykułu byli również doktor habilitowany Jaehyung Yu, Fauzia Mujid (doktorat z 22. roku życia, obecnie w Ecolab) oraz doktoranci Andrew Ye i Ce Liang.
Naukowcy wykorzystali Centrum Nauki i Inżynierii Badań nad Materiałami Uniwersytetu w Chicago, zakłady produkcyjne Pritzker Nanofabrication Facility oraz Cornell Center for Materials Research.