Επανάσταση στις ασύρματες επικοινωνίες: Νέο laser λειτουργεί σε τρισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου

Μια σημαντική ανακάλυψη που έρχεται να επαναπροσδιορίσει τον τρόπο με τον οποίο αντιλαμβανόμαστε τις οπτικές επικοινωνίες και την υπερ-ταχεία απεικόνιση, ανακοίνωσε μια διεθνής ομάδα ερευνητών. Επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο του Nottingham και το Imperial College του Λονδίνου ανέπτυξαν μια νέα τεχνολογική πλατφόρμα ικανή να παράγει και να ανιχνεύει παλμούς laser υπεριώδους ακτινοβολίας (UV-C) με διάρκεια μικρότερη από ένα τρισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου.

Η έρευνα, η οποία δημοσιεύθηκε στο έγκριτο επιστημονικό περιοδικό Light: Science & Applications, ανοίγει τον δρόμο για τη δημιουργία συστημάτων επικοινωνίας που μπορούν να μεταδίδουν πληροφορίες μέσω του ελεύθερου χώρου, ακόμη και όταν δεν υπάρχει οπτική επαφή μεταξύ πομπού και δέκτη.

Το «αόρατο» πλεονέκτημα της ακτινοβολίας UV-C

Η τεχνολογία φωτονικής που λειτουργεί στο φάσμα UV-C (100–280 nm) αποτελεί εδώ και καιρό πεδίο έντονου ερευνητικού ενδιαφέροντος. Το συγκεκριμένο φως διαθέτει μια μοναδική ιδιότητα: σκεδάζεται έντονα στην ατμόσφαιρα. Αυτό πρακτικά σημαίνει ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αποστολή δεδομένων «γύρω από γωνίες» ή πίσω από εμπόδια, σε αντίθεση με τις συμβατικές μεθόδους που απαιτούν ευθεία γραμμή στόχευσης.

Ωστόσο, η αξιοποίηση αυτής της δυνατότητας προσέκρουε μέχρι σήμερα σε έναν τεχνολογικό τοίχο: την έλλειψη πρακτικών και αξιόπιστων εξαρτημάτων που να μπορούν να διαχειριστούν αποτελεσματικά το φως σε αυτό το μήκος κύματος. Εδώ έρχεται να δώσει λύση η νέα μελέτη.

Καινοτομία σε χρόνο Femtosecond

Η ερευνητική ομάδα κατάφερε να συνδυάσει μια πηγή laser υπερ-υψηλής ταχύτητας με ανιχνευτές κατασκευασμένους από δισδιάστατους (2D) ημιαγωγούς. Χρησιμοποιώντας μη γραμμικούς κρυστάλλους, πέτυχαν την παραγωγή παλμών UV-C που διαρκούν μόλις μερικά femtoseconds (ένα femtosecond ισούται με ένα τετράκις εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου).

Το εντυπωσιακότερο στοιχείο της ανακάλυψης είναι η ανίχνευση αυτών των παλμών σε θερμοκρασία δωματίου. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν φωτοανιχνευτές βασισμένους σε σεληνιούχο γάλλιο (GaSe), ένα υλικό ατομικού πάχους, το οποίο αποδείχθηκε εξαιρετικά ευαίσθητο.

«Η εργασία αυτή συνδυάζει για πρώτη φορά την παραγωγή παλμών laser UV-C σε χρόνο femtosecond με την ταχεία ανίχνευσή τους από δισδιάστατους ημιαγωγούς», εξηγεί η καθηγήτρια Amalia Patané. Η ίδια τονίζει μάλιστα ένα απροσδόκητο εύρημα: οι νέοι αισθητήρες έδειξαν μια υπερ-γραμμική απόκριση στην ενέργεια του παλμού, μια ιδιότητα που θεωρείται εξαιρετικά επιθυμητή για την ανάπτυξη μελλοντικών φωτονικών συσκευών.

Από το εργαστήριο στην πράξη

Για να αποδείξουν τη λειτουργικότητα του συστήματος, οι ερευνητές δεν έμειναν στη θεωρία. Κατασκεύασαν μια διάταξη επικοινωνίας ελεύθερου χώρου, όπου κωδικοποίησαν πληροφορίες στην πηγή του laser και τις μετέδωσαν επιτυχώς στον αισθητήρα-δέκτη.

Ο Ben Dewes, διδακτορικός φοιτητής στο Nottingham και μέλος της ομάδας, επισημαίνει ότι βρισκόμαστε ακόμη στην αρχή:

Η ανίχνευση της ακτινοβολίας UV-C με υλικά 2D είναι ακόμα στα σπάργανα. Η ικανότητα να ανιχνεύουμε υπερ-βραχείς παλμούς και να συνδυάζουμε την παραγωγή και την ανίχνευση στον ελεύθερο χώρο, στρώνει το έδαφος για την περαιτέρω ανάπτυξη των φωτονικών εξαρτημάτων UV-C.

Το μέλλον της τεχνολογίας και οι εφαρμογές

Η σημασία της ανακάλυψης εκτείνεται πέρα από τις τηλεπικοινωνίες. Η δυνατότητα κλιμάκωσης αυτών των συστημάτων για μαζική παραγωγή, όπως τονίζει ο καθηγητής Tisch, αποτελεί ορόσημο. Τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν είναι συμβατά με τις σύγχρονες μεθόδους κατασκευής ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, γεγονός που υπόσχεται συμπαγείς και οικονομικές συσκευές στο μέλλον.

Οι πιθανές εφαρμογές είναι πολυάριθμες:

• Ασφαλείς επικοινωνίες: Μεταξύ αυτόνομων οχημάτων και ρομπότ σε περίπλοκα περιβάλλοντα όπου η οπτική επαφή διακόπτεται.
• Επιστημονική έρευνα: Υπερ-ταχεία φασματοσκοπία για τη μελέτη χημικών αντιδράσεων σε πραγματικό χρόνο.
• Ιατρική και Βιολογία: Μικροσκοπία υπερ-υψηλής ανάλυσης για τη λεπτομερή παρατήρηση βιολογικών δομών.

«Μια συμπαγής, αποδοτική και απλή πηγή UV-C θα ωφελήσει την ευρύτερη επιστημονική και βιομηχανική κοινότητα», προσθέτει ο Tim Klee, διδακτορικός φοιτητής στο Imperial, υπογραμμίζοντας τη δυναμική της τεχνολογίας να πυροδοτήσει νέες έρευνες.

Η μελέτη αυτή αποδεικνύει ότι η σύζευξη προηγμένων υλικών με καινοτόμες μεθόδους παραγωγής φωτός μπορεί να οδηγήσει σε τεχνολογικά άλματα, μετατρέποντας το «αόρατο» φως σε ένα ισχυρό εργαλείο για την ψηφιακή εποχή.