Valoa nopeampi Vallankumous

Tiedätkö, kuinka nopea on 74 femtosekuntia?

Se on 0,000000000000074 sekuntia. Sillä ajalla valo ehtii matkata ihmisen hiuksen paksuuden verran.

Ja nyt Kalifornian teknillinen korkeakoulu Caltech on rakentanut laitteen, joka pystyy ohjaamaan valonsädettä tuossa äärimmäisen lyhyessä hetkessä. Itse luin tästä ensimmäistä kertaa ja jouduin lukemaan kolme kertaa varmistaakseni, että ymmärsin oikein.

Valon kapinaongelma

Valo on itsepäinen. Kun perinteisessä elektroniikassa halutaan kääntää valonsädettä, täytyy käsitellä materiaalin elektroneja. Niitä työnnetään korkeampiin energiatiloihin ja sitten odotetaan, kunnes ne rauhoittuvat. Tämä odottelu aiheuttaa pullonkaulan, joka rajoittaa valon kytkennän ja ohjauksen nopeutta.

Se on kuin yrittäisi vaihtaa kaistaa moottoritiellä vakuuttamalla yksittäiset autot vetäytymään sivuun, odottamaan ja sitten liittymään takaisin liikenteeseen. Hitaasti ja tehottomasti.

Nykyteknologia yltää nanosekuntien tai pikosekuntien aikaskaalaan. Ihmisen mittakaavassa se on uskomattoman nopeaa, mutta seuraavan sukupolven tietokoneissa ja viestintäjärjestelmissä se on käytännössä蜗牛nopeaa.

Valo puhuu valolle

Atwaterin johtama tutkimusryhmä otti täysin erilaisen lähestymistavan. Sen sijaan että olisi käytetty sähköisiä signaaleja valon ohjaukseen, he käyttivät yhtä valonsädettä toisen ohjaamiseen.

Taustalla on niin sanottu optinen Kerrin ilmiö. Kun voimakas valonsäde kulkee tiettyjen materiaalien läpi, se muuttaa väliaikaisesti materiaalin tapaa vuorovaikuttaa valon kanssa. Tämä muutos tapahtuu niin nopeasti, koska elektroneja ei työnnetä kokonaan uusiin energiatiloihin. Ne vain häiriintyvät hieman nykyisillä radoillaan.

Ongelma? Yksinään tämä ilmiö on äärimmäisen heikko. Pieni säätö ei riitä ohjaamaan valonsädettä merkittävästi.

Nanoliekkipilarit astuvat kuvaan

Tässä kohtaa tutkijat olivat nerokkaita. He loivat niin sanotun metapinnan: amorfisen piinpinnoitteen, joka on peitetty nanometrin mittakaavan pylväillä. Jokainen niistä on pienempi kuin käytetyn valon aallonpituus.

Nämä pikkuruiset pylväät toimivat kuin optiset ansat. Ne pitävät valon hyppimässä materiaalin sisällä tavallista pidempään. Näin Kerrin ilmiö saa enemmän aikaa vaikuttaa. Pitkittynyt vuorovaikutus vahvistaa taitekertoimen muutosta niin paljon, että koettinsädettä voidaan ohjata jopa 13 astetta.

Koko prosessi tapahtuu 74 femtosekunnissa. Rajoitteena ei ole materiaali vaan tutkijoiden käyttämien laserpulssien kesto.

Miksi tällä on väliä

Laitetaanpas tämä mittakaavaan. Jos tätä teknologiaa voitaisiin skaalata, tällaisen valoa hyödyntävän tietokoneen optisten signaalien käsittely voisi olla miljoonia kertoja nopeampaa kuin nykyään.

Mahdollisia sovelluksia on valtavasti: televiestintä, itseohjaavat autot, LiDAR-järjestelmät, lääketieteelliset sensorit jotka havaitsevat yksittäisiä molekyylejä.

Ja tässä on se todella jännittävä osa: tutkijoiden mukaan nykyinen nopeusraja ei ole teknologian perusrajoitus. Se johtuu vain heidän laserasetuksistaan. Parem pulssien avulla tämä voisi olla vieläkin nopeampaa. Se avaisi oven konsepteille kuten aikakiteet ja synteettiset ajallisesti muuttuvat optiset materiaalit, jotka kuulostavat tieteiskirjallisuudesta.

Suurempi kuva

Tämä tutkimus edustaa ajattelutavan muutosta. Siirrytään pois siitä, miten valoa ohjataan elektroniikan kautta, kohti puhdasta optiikkaa. Olemme siirtymässä maailmaan, jossa valo ei vain kanna tietoa, vaan osallistuu aktiivisesti sen käsittelyyn.

Muuttaako tämä laskentaa ensi vuonna? Todennäköisesti ei. Mutta tämä on yksi niistä perustavanlaatuisista läpimurroista, joka saa ymmärtämään, että elämme aikakautta jolloin mahdollisen rajat piirretään uusiksi laboratorioissa, femtosekunti kerrallaan.

En tiedä sinusta, mutta itse pidän tätä sekä nöyryyttävänä että äärimmäisen jännittävänä.