Znanstvenici s tri kontinenta spojili su dva dosad nespojiva svijeta — poluvodičku fiziku i metamaterijale — i time otvorili vrata uređajima koji bi mogli promijeniti način na koji komuniciramo.
Istraživači s Tehničkog sveučilišta u Grazu, Harvarda i Sveučilišta Texas u Austinu razvili su metodu koja pretvara svjetlost u nove frekvencije čak 72.000 puta učinkovitije od dosadašnjih materijala. Rezultati su objavljeni u uglednom časopisu Nature Nanotechnology, a predstavljaju iskorak koji bi mogao revolucionirati telekomunikacije i kvantnu tehnologiju.
Problem linearnog svjetla
Svjetlost je odavno poznata kao medij za prijenos informacija — linearno širenje omogućuje komunikaciju u modernim optičkim mrežama. No za složene računalne operacije, kvantnu tehnologiju, kriptografiju ili frekvencijske češljeve u preciznom mjerenju, linearno širenje nije dovoljno. Potrebna je nelinearna polarizacija koja omogućuje fotonima da međusobno djeluju i razmjenjuju informacije.
Dosad su se za nelinearno sprezanje svjetlosnih valova koristile proširene kristalne strukture poput litijevog niobata. Problem? Zahtijevaju velike volumene i mnogo svjetlosne energije, što je kočilo minijaturizaciju i brojne primjene.
„Naša metoda omogućuje stvaranje nelinearne polarizacije svjetlošću u manjim strukturama i sa znatno manjom potrošnjom energije”, objašnjava Marcus Ossiander s Instituta za eksperimentalnu fiziku u Grazu.
Kvantne jame i umjetna jednosmjerna ulica
Početna ideja došla je iz grupe Setha Banka na Sveučilištu Texas. Metodom epitaksije s molekularnim snopom uzgojili su nanometarske poluvodičke slojeve galijevog arsenida i aluminijevog galijevog arsenida koji sadrže asimetrično spregnute kvantne jame. Te jame prostorno ograničavaju kretanje elektrona do te mjere da nastaju kvantizirana, atomska stanja.
Budući da su kvantne jame namjerno asimetrične, elektroni se pod utjecajem svjetlosti kreću pretežno u jednom smjeru — stvarajući umjetnu jednosmjernu ulicu u kojoj se grade asimetrične, nelinearne oscilacije elektrona. To omogućuje svjetlosnim valovima da međusobno djeluju iznimno učinkovito.
Metapovršina kao ključ
No postojala je začkoljica: da bi se iskoristio puni učinak poluvodičkih slojeva, svjetlost se morala širiti paralelno s njima — konfiguracija koja je u većini primjena nezgrapna. Tu je Ossiander došao na ključnu ideju: metapovršinu koja se sastoji od preciznog šahovskog uzorka titanovih dioksidnih stupića, svakog veličine nekoliko stotina nanometara. Metapovršina se postavlja izravno na poluvodički sloj i preusmjerava svjetlost tako da se raspršuje duž jednosmjerne staze.
Ideju je proveo u djelo u suradnji s grupom Federica Capassa na Harvardu, posebno s kolegicom Pernille Fathi. Tijekom eksperimentalnih ispitivanja naišli su na novi fenomen: ako svjetlost pogađa komponentu savršeno ravno, optička polja se poništavaju zbog geometrijske simetrije. No naginjanje uzorka za samo 0,3 stupnja razbija tu simetriju i omogućuje visoko učinkovitu nelinearnu polarizaciju.
„Postižemo pretvorbu svjetlosti koja je 72.000 puta učinkovitija na valnim duljinama koje se koriste u telekomunikacijama”, kaže Ossiander. „U usporedbi s tehnologijom korištenom posljednjih 30 do 40 godina, ovo je ogroman iskorak.”
Što to znači za budućnost?
Povećana učinkovitost znači ne samo manje komponente u budućnosti, već i manju potrošnju energije — primjerice, pri prijenosu informacija s računala na računalo unutar podatkovnih centara. To je jednako zanimljivo proizvođačima optike specijaliziranim za integriranu fotoniku kao i tvrtkama koje ovu tehnologiju koriste za obradu ogromnih količina podataka.
Pitanje koje se nameće, a koje izvor ne postavlja: koliko će trebati da ova tehnologija izađe iz laboratorija i zaživi u komercijalnim uređajima? Povijest nas uči da put od znanstvenog otkrića do praktične primjene često traje godinama — ali kad je riječ o ovako velikom skoku u učinkovitosti, pritisak tržišta mogao bi taj proces ubrzati.
U svijetu u kojem podatkovni centri troše sve više energije, a potreba za bržom i sigurnijom komunikacijom raste, ovakva otkrića nisu samo akademska zanimljivost. Ona su potencijalni odgovor na pitanje kako zadovoljiti rastuće potrebe bez proporcionalnog rasta potrošnje energije — što je u konačnici interes svake nacionalne države koja želi zadržati tehnološku autonomiju.
Jel može ta tehnologija napraviti učinkovitije solare da umjesto 20 ploča stavim dvije. Pitam za prijatelja. Hvala 🙂
Ovo je vrlo zanimljiv znanstveni iskorak, ali tekst bih malo „spustio na zemlju”. Najveći problem nije sama tehnologija, nego način na koji se iz eksperimentalnog rezultata prelazi na najave revolucije u telekomunikacijama. Komentar: 72.000 puta veća učinkovitost zvuči gotovo nevjerojatno — i upravo zato treba biti oprezan s tumačenjem tog broja. Takvi rezultati u laboratoriju mogu biti spektakularni, ali ne znače automatski da će budući optički uređaji trošiti 72.000 puta manje energije ili da će se postojeća telekomunikacijska infrastruktura preko noći promijeniti. Pravi značaj istraživanja vjerojatno je drugdje: znanstvenici su pokazali da se snažni nelinearni optički učinci mogu ostvariti u vrlo tankoj, nanostrukturiranoj platformi. To je važan korak prema integriranoj fotonici, gdje se što više optičkih funkcija pokušava smjestiti na čip. A upravo će sljedeća faza biti najzanimljivija. Može li se struktura proizvoditi pouzdano u velikom broju? Koliko je osjetljiva na proizvodne tolerancije, temperaturu i druge uvjete? Koliki je stvarni… Čitaj više »