Resonoiva optinen diodi

Lontoon St. Paulin katedraalin kuiskausten galleriaa mallinaan käyttäen Washington University in St. Louisin tutkijat ovat rakentaneet optisen diodin. Sähkö- ja järjestelmätekniikan apulaisprofessori Lan Yangin johtama ryhmä on luonut diodin pienien optisten resonaattoreiden avulla.

Toisiinsa läheisesti liittyvät mikroresonaattorit, jotka ovat tasapanoissa vahvistuksen ja häviön suhteen, muodostavat pariteetti-aika (PT) -symmetrisen järjestelmän.

Tällainen symmetrian rikkominen johtaa häviöttömään ja epälineaarisuuteen pohjautuvaan valonläpäisyyn. Kun häviöllinen järjestelmä on liitetty yhteen vahvistavan järjestelmän kanssa niin, että häviöenergia on täsmälleen yhtä suuri kuin vahvistus, tasapainopisteessä esiintyy eräänlainen vaihemuunnos.

"Uskomme, että löytö hyödyttää monia aloja, kuten elektroniikkaa, akustiikkaa, plasmoniikkaa ja meta-materiaaleja. Menetelmä saattaa luoda edistystä esimerkiksi piilottavissa (cloaking) laitteissa, lasereissa ja ehkä ilmaisimissa, jotka voivat "nähdä" yksittäisen atomin." toteaa Yang yliopistonsa tiedotteessa.

PT-symmetrian periaate perustuu matemaattisiin teorioihin, joita on kehittänyt Carl M. Bender. Ajan käännön symmetria on fysiikan sääntö, jossa todetaan, että jos valo voi kulkea yhteen suuntaan, sen on voitava kulkea myös vastakkaiseen suuntaan. Uudessa optisessa diodissa, se ei enää päde.

PT-symmetrian periaatteiden soveltaminen optiikassa johtaa ilmiöihin, joita ei ole ennustettu perinteisessä fysiikassa. Muunnoksessa tapahtuvat ilmiöt ovat dramaattisia ja odottamattomia, toteaa Yang. Resonaattoreissa pariteetti-heijastuksen muunnoksessa häviöstä tulee vahvistus ja vahvistuksesta tulee häviö.

Aiemmin ajankäännön symmetriaa on rikottu magneto-optiikan ja vahvojen magneettikenttien avulla mutta tässä se on toteutettu vahvan epälineaarisuuden ja PT-symmetrian purkamisen avulla.

Washingtonin tutkijoiden kehittämät resonaattorit ovat niin pieniä, että niitä voidaan käyttää tulevaisuuden tietokoneissa ja optisissa järjestelmissä. Nyt diodit on valmistettu piidioksidista mutta ne voidaan valmistaa myös muista materiaaleista, jotka ovat CMOS-yhteensopivia.