Φωτονικοί κρύσταλλοι επιβραδύνουν το φως

Πηγή: PhysicsWeb, 15 Μαρτίου 2005

Ερευνητές στις ΗΠΑ έχουν πετύχει να μειώσουν την ταχύτητα ομάδας του φωτός κατά έναν παράγοντα περισσότερο από 100 σε ένα νέο δισδιάστατο φωτονικό κρύσταλλο. Οι Halice Altug και Jelena Vuckovic του πανεπιστημίου του Στάνφορντ λένε ότι η συσκευή θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για ποικίλες οπτικές εφαρμογές και σαν τμήμα άλλων συσκευών, συμπεριλαμβανομένων υψηλής ισχύος λέιζερ φωτονικού κρυστάλλου με χαμηλά κατώφλια (Appl. Phys. Lett. 86 111102).

Οι φωτονικοί κρύσταλλοι είναι υλικά στα οποία μια περιοδική μεταβολή της διηλεκτρικής σταθεράς του υλικού οδηγεί σε ένα φωτονικό ενεργειακό χάσμα ζώνης. Φωτόνια με μήκη κύματος ή ενέργειες σε αυτό το εύρος δεν μπορούν να ταξιδέψουν μέσω αυτού του κρυστάλλου. Εισάγοντας όμως προσμίξεις σε φωτονικούς κρυστάλλους είναι δυνατό να κατασκευαστούν κυματοδηγοί που μπορούν να διοχετεύσουν το φως κατά μήκος ορισμένων τροχιών. Είναι επίσης δυνατό να κατασκευαστούν μικροκοιλότητες που μπορούν να εστιάσουν φωτόνια σε εξαιρετικά μικρούς όγκους. Οι Altug και Vuckovic έχουν τώρα δείξει ότι μια σειρά φωτονικών κρυστάλλων μπορούν, επίσης, να χρησιμοποιηθούν για να παραγάγουν "αργό φως".

Δύο τύποι ταχυτήτων χρησιμοποιούνται για να περιγράψουν τη διάδοση ενός κύματος σε ένα μέσο διασποράς: η ταχύτητα φάσης και η ταχύτητα ομάδας. Η ταχύτητα φάσης είναι η ταχύτητα με την οποία μονοχρωματικό φως ταξιδεύει. Εντούτοις, ένας παλμός του φωτός περιέχει μια σειρά μηκών κύματος που όλα τους κινούνται με διαφορετικές ταχύτητες, έτσι η ταχύτητα ομάδας ορίζεται ως η ταχύτητα με την οποία ο ίδιος ο παλμός κινείται. Οι χαμηλές ταχύτητες ομάδας είναι ευεργετικές για πολλές συσκευές εφαρμογών, επειδή ενισχύουν τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ του φωτός και του υλικού στη συσκευή.

Οι Altug και Vuckovic έφτιαξαν μια σειρά 3600 μικροκοιλοτήτων πάνω σε μια πλάκα πυριτίου, που είχε εμβαδόν 100 τετραγωνικών μικρών. Οι οπές στη σειρά αυτή είχαν διάμετρο 400 nm, ενώ η περίοδος του κρυστάλλου ήταν 500 nm. Το ζευγάρι των επιστημόνων του Στάνφορντ διαπίστωσε ότι η ταχύτητα ομάδας ενός παλμού λέιζερ μειώθηκε κατά ένα παράγοντα περισσότερο από 100 όταν αυτός ταξίδεψε μέσω της σειράς των μικροκοιλοτήτων.

Οι δύο τους τώρα δοκιμάζουν λέιζερ με υλικό από ίνδιο-φωσφίδιο. "Αν συνδέσουμε ένα μεγάλο αριθμό μικροκοιλοτήτων με αυξανόμενη αλληλεπίδραση μεταξύ του φωτός και του ενεργού μέσου, μπορούμε να έχουμε μια ισχύ εξόδου που είναι συγκρίσιμη με τα τυποποιημένα λέιζερ των ημιαγωγών, και μάλιστα με σημαντικά μικρά κατώφλια άντλησης ενέργειας και με αυξανόμενη ταχύτητα διαμόρφωσης", αναφέρουν οι δύο επιστήμονες. "Αυτό είναι σημαντικό για την κατασκευή οπτικής διασύνδεσης στους μελλοντικούς υπολογιστές, που λειτουργούν με ταχύτητες επάνω από 20 gigahertz, στους οποίους προς το παρόν η χρήση ηλεκτρικών διασυνδέσεων έχει αυστηρούς περιορισμούς." 

Φωτονικοί υπολογιστές

Πριν δύο μήνες ακριβώς παρουσιάστηκε από ερευνητές της Intel  το πρώτο ολοκληρωμένο κύκλωμα πυριτίου που μετέδιδε και ενίσχυε το φως. Ο λέιζερ πυριτίου είναι η πρώτη υλοποίηση σε γραμμή βιομηχανικής παραγωγής που επιτρέπει την πρακτική και οικονομική αξιοποίηση της συνεχούς μετάδοσης δεδομένων με την ταχύτητα του φωτός.

Χάρη στην κρυσταλλική δομή του το πυρίτιο προσφέρει άτομα που ταλαντώνονται άμεσα στο φως ως και 10.000 φορές περισσότερο απ' ό,τι εκείνα του κοινού γυαλιού. Δυστυχώς όμως απελευθερώνουν και ηλεκτρόνια που δημιουργούν ένα νέφος κατασταλτικό του δευτερεύοντος φωτός. Οι ερευνητές της Intel ξεπέρασαν το πρόβλημα με τη δημιουργία ενός ηλεκτρικού πεδίου που «ρουφάει» το νέφος ηλεκτρονίων και επιτρέπει τη σύλληψη, επεξεργασία και μετάδοση του φωτός. Κατόρθωσαν μάλιστα όχι απλώς να κατασκευάσουν το σχετικό κύκλωμα με τις υπάρχουσες μεθόδους χάραξης μικροκυκλωμάτων αλλά και να έχουν συνεχή ροή της φωτεινής δέσμης. Το διαστάσεων 16X16 χιλιοστών τσιπάκι πυριτίου εμπεριείχε οκτώ κανάλια λέιζερ.

Έτσι, για να αποκτήσουμε τη θεαματική αύξηση υπολογιστικών επιδόσεων θα συνεχίσουμε να χρησιμοποιούμε το υλικό, που εδώ και 40 χρόνια, κατασκευάζουμε τις ηλεκτρονικές συσκευές. Ο Justin Rattner της Intel ανέφερε πως στα επόμενα δέκα χρόνια θα υπάρχουν τηλέφωνα που θα μεταφράζουν σε πραγματικό χρόνο μεταξύ γλωσσών ή που θα ξεχωρίζουν ανάμεσα σε χιλιάδες φωτογραφιών εκείνη του παιδιού σας που παίζει με ένα κατοικίδιο.

Οι πρώτοι κερδισμένοι με τους νέους υπολογιστές θα είναι τα ιατρικά και τα αστρονομικά μηχανήματα, που έχουν τη μεγαλύτερη ανάγκη οπτικής επεξεργασίας. Αμέσως μετά όμως οι καταναλωτικές συσκευές θα ακολουθήσουν παρέχοντας σε όλους μας απίστευτες ταχύτητες σύνδεσης, αναζήτησης και καταχώρισης δεδομένων, νέους τρόπους οπτικοποίησης των πληροφοριών και επικοινωνίας ανθρώπου - μηχανής και αυτή τη δυνατότητα ένταξης της ανθρώπινης γνώσης και εμπειρίας στη νοημοσύνη των μηχανών, την τεχνητή νοημοσύνη.

(Από το ΒΗΜΑ)

Οι φωτονικοί κρύσταλλοι είναι τεχνητές δομές που διαθέτουν ενεργειακά απαγορευμένα χάσματα για το φως, αντίστοιχα με τα ενεργειακά χάσματα των ημιαγωγών για τις ηλεκτρονικές καταστάσεις. Υπόσχονται ν' ανταποκριθούν στις απαιτήσεις για μεγαλύτερη ταχύτητα στους υπολογιστές και στις οπτικές επικοινωνίες