Nestekidepisarassa nanosekunnin valo-valo -kytkentä

Valon ohjaaminen valolla on pitkään tavoiteltu tavoite laskenta- ja viestintäteknologioissa.

Viime vuosina tutkijat ovat alkaneet tutkia odottamatonta alustaa tähän tarkoitukseen: pehmeää ainetta.

Pehmeän aineen fotoniikka tutkii, miten materiaalit, kuten nesteet, nestekiteet, geelit ja polymeerit, voivat itseorganisoitua rakenteiksi, jotka manipuloivat valoa. Toisin kuin perinteiset kiinteän olomuodon fotoniset komponentit, jotka vaativat tarkkaa nanovalmistusta, pehmeät materiaalit voivat muodostaa spontaanisti toiminnallisia optisia geometrioita.

Joillakin pehmeillä materiaaleilla on myös epälineaarinen optinen käyttäytyminen. Esimerkiksi Kerrin ilmiön kautta niiden taitekerroin voi muuttua voimakkaan valon vaikutuksesta, jolloin yksi säde voi vaikuttaa toiseen ja mahdollistaa erittäin nopean optisen kytkennän pikosekuntien nopeuksilla.

Kuten tutkimusraportti kertoo, kansainvälinen tutkijaryhmä esitteli erilaisen lähestymistavan: nanosekunnin optisen kytkimen, joka perustuu nestekideontelossa tapahtuvaan resonanssistimuloidun emission purkautumiseen (STED). Taitekertoimen muutosten sijaan tässä menetelmässä manipuloidaan varastoitua optista energiaa resonanssirakenteen sisällä.

Käytännössä järjestelmä vaihtaa lähtevää aallonpituutta, jolloin saavutetaan valo-valolta -ohjaus ilman sähköistä syötettä.

Tutkijat loivat mikrometrin kokoisen nestekidepisaran, johon on seostettu fluoresoivaa väriainetta. Pisara toimii resonoivana ontelona, joka tukee kuiskaavia galleriamuotoja, joissa valo kiertää sen kehää pitkin ja vahvistuu. Pisara asetetaan veteen, ja sen pinta saatetaan kosketuksiin useiden kapenevien polymeeriaaltojohtimien kanssa, jotka kanavoivat valoa onteloon ja sieltä ulos.

Keskeinen innovaatio on siinä, miten kiinteä aaltojohde yhdistyy nestepisaraan. Kiinteissä materiaaleissa pallomaisen ontelon ja lieriömäisen aaltojohtimen välinen kosketuspinta-ala olisi liian pieni tehokkaan valonsiirron kannalta.

Koska pisara on kuitenkin nestemäinen, se muuttaa hieman muotoaan koskettaessaan aaltojohteita pintajännityksen ja rajapintojen välisten voimien vuoksi, mikä luo vakaan ja tehokkaan optisen yhteyden. Tutkijat huomauttavat, että tätä itsestään muodostuvaa kontaktia olisi vaikea saavuttaa kiinteillä materiaaleilla, mikä korostaa selvästi pehmeän aineen etua fotonisten yhteyksien kannalta.

Tutkijat asettavat tämän työn perustavanlaatuiseksi askeleeksi kohti uudenlaista pehmeää, bioinspiroitunutta optista teknologiaa. ”Esittelimme itsejärjestyvän pehmeän aineen mikrofotonisen elementin, pehmeän aineen fotonisen kytkimen, joka hyödyntää valo-valo-manipulaation konseptia hyvin alhaisella valon intensiteetillä.

Aiheesta aiemmin:

Polymeeripohjaiset viritettävät optiset komponentit

Valoa valolla ohjaten