Uudenlainen fotoninen aikakide vahvistaa valoa

Tutkijat ovat löytäneet tavan toteuttaa fotonisia aikakiteitä ja samalla osoittaneet, että nämä erityiset, keinotekoiset materiaalit vahvistavat niihin kohdistuvaa valoa. Löydön avulla langaton tiedonsiirto voi kehittyä tehokkaammaksi ja kestävämmäksi ja merkittävästi tehostaa lasereiden käyttöä. 

Aikakiteen esitteli ensimmäisenä Nobel-palkittu Frank Wilczek vuonna 2012. Tavallisista kiteistä poiketen aikakiteissä on rakenteita, jotka toistuvat tilan sijaan ajassa. Vaikka jotkut fyysikot alun perin epäilivät aikakiteiden olemassaoloa, viimeaikaiset kokeet ovat osoittaneet, että niitä todellakin on olemassa. Esimerkiksi Aalto-yliopiston kylmälaboratorion tutkijat onnistuivat viime vuonna luomaan parillisia aikakiteitä, joista voi olla hyötyä kvanttilaitteille.

Nyt toinen sähkömagnetiikkaan erikoistunut tiimi on tehnyt fotonisia aikakiteitä, jotka ovat aikapohjaisia versioita tavallisesta optisesta materiaalista. Tutkijat loivat aikakiteitä, joiden toimintataajuus oli mikroaaltojen luokkaa, ja niiden huomattiin vahvistavan sähkömagneettisia aaltoja. Ominaisuudesta voi tulevaisuudessa olla hyötyä erilaisissa tekniikoissa, kuten langattomassa tiedonsiirrossa, integroiduissa piireissä ja lasereissa.

Toistaiseksi fotonisten aikakiteiden tutkimuksessa on keskitytty kolmiulotteisiin rakenteisiin, jotka ovat osoittautuneet huomattavan haastaviksi, eikä kokeissa siksi olla päästy käytännön sovellutuksiin asti. Nyt tutkimustiimissä, jossa toimii Aalto-yliopiston, Karlsruhen teknillisen instituutin ja Stanfordin yliopiston tutkijoita, kokeiltiin uutta lähestymistapaa rakentamalla kaksiulotteinen fotoninen aikakide.

”Havaitsimme, että kolmiulotteisesta kaksiulotteiseen rakenteeseen siirtyminen helpotti toteutusta merkittävästi, mikä mahdollisti fotonisten aikakiteiden toteuttamisen todellisuudessa”, kertoo tutkimuksen päätekijä Xuchen Wang. Hän oli aiemmin Aalto-yliopiston tohtoriopiskelija ja työskentelee parhaillaan Karlsruhen teknillisessä instituutissa.

Uuden lähestymistavan ansiosta tiimi onnistui toteuttamaan fotonisen aikakiteen ja vahvistamaan kokeellisesti sen käyttäytymiseen liittyvät teoreettiset ennustukset.

”Osoitimme ensimmäistä kertaa, että fotoniset aikakiteet voivat vahvistaa niihin kohdistuvaa valoa voimakkaasti”, Wang sanoo.

”Fotonisessa aikakiteessä fotonit asettuvat muodostelmaan, joka toistuu ajallisesti. Se tarkoittaa, että kiteen fotonit ovat synkronoituja ja yhtenäisiä, mikä voi tuottaa konstruktiivista interferenssiä ja siten vahvistaa valoa”, hän jatkaa. 

Kaksiulotteisille fotonisille aikakiteille on useita mahdollisia käyttötarkoituksia. Koska ne vahvistavat sähkömagneettisia aaltoja, niiden avulla voitaisiin tehdä langattomista lähettimistä ja vastaanottimista entistä tehokkaampia. Wang toteaa, että kaksiulotteisista fotonisista aikakiteistä tehdyllä pinnoitteella voitaisiin myös vähentää signaalin heikentymistä, mikä on merkittävä ongelma langattomassa tiedonsiirrossa. Fotonisilla aikakiteillä voitaisiin niin ikään yksinkertaistaa lasereiden suunnittelua, koska niihin ei tarvittaisi nykyisin yleisesti käytössä olevia peilejä.

Toinen mahdollinen käytännön sovellutuksia tuottava ominaisuus, jonka tiimi havaitsi, on se, etteivät kaksiulotteiset fotoniset aikakiteet vahvista ainoastaan niihin ympäröivässä tilassa kohdentuvia sähkömagneettisia aaltoja, vaan myös pintaa pitkin kulkevia aaltoja. Pinta-aaltoja käytetään integroitujen piirien elektronisten komponenttien väliseen tiedonsiirtoon. 

”Kun pinta-aalto etenee, se kärsii materiaalihäviöistä ja signaalin voimakkuus heikkenee. Järjestelmään integroiduilla kaksiulotteisilla fotonisilla aikakiteillä pinta-aaltoa voidaan vahvistaa ja tehostaa tiedonsiirtoa”, kertoo apulaisprofessori Viktar Asadchy, joka on luonut idean 2D-fotonisista aikakiteistä.

Tutkimus on julkaistu alan arvostetussa Science Advance -julkaisussa keskiviikkona 5. huhtikuuta 2023. Artikkeli on luettavissa tästä linkistä https://doi.org/10.1126/sciadv.adg7541

Lisätietoa (englanniksi):

Xuchen Wang
Postdoc at Karlsruher Institut für Technologie
xuchen.wang@kit.edu

Viktar Asadchy
Apulaisprofessori, Aalto-yliopisto
viktar.asadchy@aalto.fi 
puh 050 4205 846

Sergei Tretyakov
Professori, Aalto-yliopisto
sergei.tretyakov@aalto.fi 
puh 050 3502 562