Το φως βρίσκεται στο επίκεντρο κάθε τεχνολογίας, από τις οθόνες των κινητών μας μέχρι τα κυκλώματα των υπερυπολογιστών. Όμως οι επιστήμονες του Light Publishing Center στο Changchun Institute of Optics κατάφεραν να σπάσουν ένα θεμελιώδες όριο που κρατούσε “κλειδωμένο” ένα νέο, σχεδόν ανεξερεύνητο κομμάτι του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Για πρώτη φορά, μια ομάδα ερευνητών χρησιμοποίησε κβαντικά υλικά για να δημιουργήσει και να ενισχύσει φως στην περιοχή των terahertz, ανοίγοντας τον δρόμο για μια νέα γενιά υπερταχέων συσκευών, επικοινωνιών και υπολογιστών.
Η ανακάλυψη, που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Light: Science & Applications, βασίζεται στη χρήση τοπολογικών μονωτών, εξωτικών υλικών που συμπεριφέρονται σαν ηλεκτρικοί μονωτές στο εσωτερικό τους αλλά άγουν ρεύμα στην επιφάνειά τους. Χάρη στις μοναδικές τους κβαντικές ιδιότητες, αυτά τα υλικά μπορούν να «παραμορφώσουν» το φως με τρόπους που δεν ήταν εφικτοί μέχρι σήμερα.
Το επίτευγμα σχετίζεται με ένα φαινόμενο γνωστό ως high-order harmonic generation (HHG), μια διαδικασία όπου το φως μετασχηματίζεται σε υψηλότερες συχνότητες, επιτρέποντας την εξερεύνηση περιοχών του φάσματος που μέχρι τώρα ήταν απρόσιτες. Παρόλο που η τεχνολογία HHG έχει ήδη φέρει επαναστάσεις στη φασματοσκοπία και στην υπερταχεία οπτική, η δημιουργία φωτός στις terahertz συχνότητες αποτελούσε μια από τις μεγαλύτερες προκλήσεις.
Το πρόβλημα, όπως εξηγούν οι ερευνητές, είναι η συμμετρία των υλικών. Τα περισσότερα στερεά σώματα είναι «πολύ συμμετρικά» για να υποστηρίξουν την παραγωγή ακόμη και ζυγών αρμονικών, δηλαδή συχνοτήτων που είναι πολλαπλάσια του αρχικού φωτός. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι το γραφένιο, που ενώ θεωρείται εξαιρετικό υλικό για την οπτική τεχνολογία, λόγω της τέλειας συμμετρίας του μπορεί να παράγει μόνο τις «μονές» αρμονικές. Για να επεκταθεί η τεχνολογία HHG και σε πρακτικές εφαρμογές, οι επιστήμονες έπρεπε να βρουν έναν τρόπο να σπάσουν αυτό το φράγμα συμμετρίας.
Η ομάδα της καθηγήτριας Miriam Serena Vitiello τα κατάφερε, αξιοποιώντας τις ασύμμετρες επιφάνειες των τοπολογικών μονωτών Bi₂Se₃ και (InₓBi₁₋ₓ)₂Se₃. Ενσωμάτωσαν αυτά τα υλικά σε ειδικά νανοδομημένα συστήματα που ονομάζονται split ring resonators, μικροσκοπικούς δακτυλίους σχεδιασμένους να παγιδεύουν και να ενισχύουν το φως. Το αποτέλεσμα ήταν θεαματικό: οι ερευνητές παρατήρησαν την ταυτόχρονη παραγωγή τόσο μονών όσο και ζυγών αρμονικών στις συχνότητες των terahertz, κάτι που θεωρούνταν σχεδόν αδύνατο μέχρι σήμερα.
Καταγράφοντας συχνότητες 6,4 THz (ζυγές) και 9,7 THz (μονές), η ομάδα απέδειξε ότι η εσωτερική συμμετρία των τοπολογικών μονωτών και η ασυμμετρία της επιφάνειάς τους συνεργάζονται για να δημιουργήσουν νέα μοτίβα φωτός. Αυτή είναι μια από τις πρώτες σαφείς αποδείξεις ότι τα τοπολογικά φαινόμενα μπορούν να διαμορφώσουν τη συμπεριφορά του φωτός στην περιοχή των terahertz, ένα εύρος που μέχρι πρόσφατα παρέμενε σχεδόν «τυφλό» για την επιστήμη.
Οι τοπολογικοί μονωτές αποτελούν ένα είδος “κβαντικού καθρέφτη”. Η επιφάνειά τους είναι γεμάτη με ηλεκτρόνια που συμπεριφέρονται διαφορετικά από αυτά στο εσωτερικό, επιτρέποντάς μας να κατευθύνουμε το φως με τρόπους που παραβιάζουν τη συμμετρία.
Πέρα από την επιστημονική σημασία, η ανακάλυψη αυτή ανοίγει δρόμους για μια νέα εποχή τεχνολογιών terahertz. Οι συχνότητες αυτές, που βρίσκονται ανάμεσα στα μικροκύματα και στο υπέρυθρο φως, έχουν τεράστιες εφαρμογές — από ταχύτατη ασύρματη επικοινωνία και σάρωση υλικών μέχρι ιατρική απεικόνιση χωρίς ακτινοβολία. Μέχρι τώρα, όμως, η παραγωγή και ο έλεγχός τους απαιτούσε πολύπλοκες, ογκώδεις και ενεργοβόρες διατάξεις.
Η νέα προσέγγιση βασίζεται σε μια εντελώς διαφορετική φιλοσοφία: χρησιμοποιεί τη φυσική των κβαντικών καταστάσεων για να ενισχύει το φως «εκ των έσω», χωρίς ανάγκη για τεράστιες ποσότητες ενέργειας ή ψύξη σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες. Με λίγα λόγια, πρόκειται για μια πλατφόρμα που θα μπορούσε να οδηγήσει σε μικροσκοπικές πηγές φωτός terahertz, σαν «κβαντικούς πομπούς» ενσωματωμένους σε τσιπ.
Η δυνατότητα ελέγχου των αρμονικών του φωτός σε αυτό το εύρος φάσματος μπορεί επίσης να αποδειχθεί κρίσιμη για την ανάπτυξη της κβαντικής πληροφορικής. Οι συχνότητες terahertz βρίσκονται στο όριο όπου η ταχύτητα επικοινωνίας μεταξύ κβαντικών bits (qubits) μπορεί να αυξηθεί δραματικά, ενώ ταυτόχρονα μειώνονται οι απώλειες ενέργειας. Παράλληλα, θα μπορούσαν να προσφέρουν νέα μέσα για την κατασκευή υπερταχέων οπτικών διακοπτών ή αισθητήρων που ανιχνεύουν μεταβολές σε κβαντικές καταστάσεις σχεδόν σε πραγματικό χρόνο.
Το σημαντικότερο ίσως αποτέλεσμα της μελέτης είναι ότι επιβεβαιώνει πειραματικά θεωρίες που μέχρι τώρα υπήρχαν μόνο σε υπολογιστικά μοντέλα. Η συνεργασία των ερευνητών απέδειξε ότι οι τοπολογικές ιδιότητες δεν είναι απλώς μια θεωρητική περιέργεια, αλλά μια πρακτική δύναμη που μπορεί να αξιοποιηθεί για τη δημιουργία νέων μορφών φωτός.
Με απλά λόγια, αυτή η ανακάλυψη μετατρέπει το φως σε μια «κβαντική εργαλειοθήκη» που οι επιστήμονες μπορούν να ελέγχουν με πρωτοφανή ακρίβεια. Και αν όλα πάνε όπως προβλέπουν οι ερευνητές, οι επόμενες δεκαετίες μπορεί να μας φέρουν υπολογιστές, αισθητήρες και επικοινωνιακά δίκτυα που θα λειτουργούν με φως terahertz, μια τεχνολογία που μέχρι τώρα υπήρχε μόνο στη θεωρία.
[source]
