Uusi tapa hallita infrapunavaloa reaaliajassa

EPFL:n tutkijat ovat kehittäneet erittäin ohuita piirakenteita, jotka voivat nopeasti säätää vuorovaikutustaan valon kanssa. Prosessi ratkaisee fotoniikan haasteen edistyneille tietoliikenne-, sensori- ja kvanttiteknologioille.

Sähkömagneettisen spektrin keski-infrapuna-alueen valolla on keskeinen rooli nykyaikaisessa aistimisessa. Koska molekyylit ovat vuorovaikutuksessa tämän tyyppisen valon kanssa tietyillä tavoilla, tutkijat käyttävät tekniikoita, kuten keski-infrapunaspektroskopiaa, biologisten materiaalien, lääkkeiden ja epäpuhtauksien tunnistamiseen.

Keski-infrapunavalo voi toimia myös informaationkantajana vapaan tilan optisessa viestinnässä. Keski-infrapunavalon parempi hallinta voisi siksi johtaa herkempiin ilmaisimiin ja nopeampaan viestintään.

Metapinnat ovat yksi ratkaisu, jota tieteilijät tutkivat tällaisen hallinnan saavuttamiseksi. Nämä ultraohuet rakenteet on rakennettu käyttämällä nanokuvioita, jotka voivat muokata ja ohjata valoaaltoja. Valitettavasti keski-infrapunalle useimmat tähän mennessä kehitetyt metapinnat ovat staattisia: valmistuksen jälkeen niiden optiset ominaisuudet ovat kiinteät, mikä rajoittaa niiden käyttöä todellisissa fotonisissa järjestelmissä.

Nyt EPFL:n Hatice Altugin johtamat tutkijat ovat ratkaisseet tämän pullonkaulan kiteisen piin suspendoituihin kalvoihin perustuvilla metapinnoilla. Indusoimalla liikkuvia sähkövarauksia itse piin sisään tutkijat voivat muuttaa metapintojen reagointia valoon reaaliajassa muuttamatta niiden fyysistä rakennetta. Tällaiset rakenteet saavuttavat myös ennätyksellisen optisen suorituskyvyn, yli kertaluokan paremman suorituskyvyn keskeisissä mittareissa verrattuna aiempiin samankaltaisiin materiaaleihin perustuviin keski-infrapunan alustoihin.

”Käyttämällä kiteistä piitä ja ilmaan ripustettua nanorakenteista kerrosta pystyimme vähentämään huomattavasti optisia häviöitä, jotka tyypillisesti rajoittavat perinteisiä keski-infrapuna-alustoja”, Altug selittää.

Tiimi esitteli kaksi tapaa virittää metapintoja muuttamatta niiden nanorakennetta.

”Yhdessä lähestymistavassa käytämme integroituja elektrodeja mikrolämmittiminä aiheuttaaksemme muutoksia piin optisiin ominaisuuksiin tuhansia kertoja sekunnissa sähkövirran avulla”, hän sanoo. ”Toisessa käytimme ultranopeita laserpulsseja näiden muutosten aiheuttamiseen, jolloin metapinnat pystyivät reagoimaan nanosekuntien aikana.”

Tämä valosignaalien nopea ja reaaliaikainen manipulointi voisi auttaa viestintäjärjestelmiä siirtämään informaatiota tehokkaammin ja mahdollistaa anturien nopean mukautumisen muuttuviin olosuhteisiin.

”On tärkeää huomata, että alustamme ennätyksellinen optinen suorituskyky ei tule skaalautuvuuden kustannuksella, koska käytämme valmistustekniikoita, jotka ovat jo yhteensopivia laajamittaisen puolijohdetuotannon kanssa”, sanoo ensimmäinen kirjoittaja Felix Brikh.

Aiheesta aiemmin:

Erittäin nopeaa valonmuokkaustekniikkaa

Kvanttipistepohjainen metapinta

Kohti RF-ketjusta vapaata langattomuutta