Negatiivinen valon taittuminen

Äskettäin Caltechissa luodussa nanomateriaalissa on ominaisuus, joka aiemmin oli mahdollista vain teoriassa: se voi taittaa valoa taaksepäin riippumatta kulmasta, jossa valo osuu materiaaliin.

Taittuminen on materiaalien yleinen ominaisuus. Mutta negatiivinen taittuminen ei tarkoita vain valon siirtämistä muutaman asteen toiselle puolelle. Valo lähetetään pikemminkin täysin päinvastaisessa kulmassa kuin se, jossa se tuli materiaaliin.

Tätä ei ole havaittu luonnossa, mutta 1960-luvulta lähtien sen on teoretisoitu esiintyvän keinotekoisesti jaksollisissa materiaaleissa – eli materiaaleissa, jotka on rakennettu tietyn rakenteellisen kuvion mukaan.

"Negatiivinen taittuminen on ratkaisevan tärkeää nanofotoniikan tulevaisuudelle, sillä se pyrkii ymmärtämään ja manipuloimaan valon käyttäytymistä, kun se on vuorovaikutuksessa materiaalien tai kiinteiden rakenteiden kanssa mahdollisimman pienissä mittakaavoissa", sanoo Caltechin professori Julia R. Greer.

Greer on edelläkävijä tällaisten nanoarkkitehtuurin materiaalien luomisessa tai materiaaleissa, joiden rakenne on suunniteltu ja järjestetty nanometrin mittakaavassa. Elektronimikroskoopilla tarkasteltuna uuden materiaalin rakenne muistuttaa onttojen kuutioiden hilaa.. "Olemme saavuttamassa Mooren lain rajat joten tutkijoiden mukaan työ on askel kohti optisten ominaisuuksien osoittamista, joita vaadittaisiin kolmiulotteisten fotonisten piirien mahdollistamiseksi.

"Hullujen" kvasihiukkasten jäljillä

Würzburg – Dresdenin yhteisen Cluster of Excellence ct.qmat -ryhmän tutkijat ovat vahvistaneet kokeellisesti valoa emittoivien hiukkasten erittäin epätavallisen liikkeen atomisen ohuissa puolijohteissa.

Suurempi kuva

Tutkimusprojektista, joka keskittyi eksitonien liikkeisiin ultraohuessa aineessa, fyysikko Aleksei Tšernikov selittää: ”Eksitonit voidaan ymmärtää eräänlaisina liikkuvina valonlähteinä. Kuten muutkin kvanttimekaaniset objektit ne yhdistävät sekä aalto- että hiukkasominaisuudet ja etenevät atomiohuiden kiteiden läpi. Se tarkoittaa, että ne voivat varastoida ja kuljettaa sekä energiaa että informaatiota, mutta myös muuntaa ne uudelleen valoksi. Tämä tekee niistä erityisen mielenkiintoisia meille."

Tähän mennessä tiedeyhteisö tuntee laajalti kaksi yleistä eksitoniliikkeen tyyppiä: eksitonit joko "hyppäävät" molekyylistä toiseen tai ne liikkuvat melko "klassisesti" kuten biljardipallot, jotka muuttavat suuntaansa satunnaisia sirontatapahtumista.

Nyt eksitonit käyttäytyivät kuitenkin tavalla, jota tutkijat eivät olleet koskaan ennen nähneet. Lopulta ainoa mahdollinen selitys oli, että eksitonit liikkuivat satunnaisesti suljettujen silmukoiden läpi vastakkaisiin suuntiin samaan aikaan. Mutta miksi?

Pietarin Ioffe-instituutin tutkijan Mihail M. Glazovin äskettäin julkaistu teoreettinen työ antoi avaimen kysymykseen: Glazov kuvaa, kuinka atomiohuiden puolijohteiden eksitonit voivat todellakin liikkua suljettuja, rengasmaisia polkuja pitkin ja siirtyä päällekkäisiin tiloihin eli ne näyttävät liikkuvan sekä myötä- että vastapäivään samanaikaisesti.

Eksitonisten kvasihiukkasten kvanttikuljetuksen tutkimus on kuitenkin vasta alussa. Jatkossa Tšernikovin tutkimien ultraohuiden kerrosten kaltaiset materiaalit voisivat toimia pohjana myös uudentyyppisille laserlähteille, valoantureille, aurinkokennoille tai jopa kvanttitietokoneiden rakennelohkoille.

Aiheesta aiemmin:

Negatiivista massaa ja neliulotteista fysiikkaa

Tietojenkäsittelyn tehonkulutuksen alarajalle

Eksitonit elektroniikan käyttöön