A fény, amit irányítani lehetetlennek tűnt – most mégis sikerült

Képzeld el, hogy 74 femtoszekundum alatt történik valami. Ez nem valami közelítés, hanem a nullához végtelenül közeli idő.

Az egész nullától számítva hatvanhárom nullával kezdődik. És ebben a parányi pillanatban a fény nagyjából egy hajszál átmérőjét teszi meg. Ennyi. Most pedig tudósok a Caltech-ről építettek egy eszközt, ami képes egy fénynyalábot ebben az űber rövid időben átirányítani.

Őszintén szólva, amikor először olvastam erről, háromszor kellett elolvasnom, hogy felfogjam, mit látok.

A probléma

A fény makacs. Nagyon-nagyon makacs.

Amikor hagyományos módon akarunk fényt irányítani, általában az anyag elektronjaival kell bajlódnunk. Fel kell gerjeszteni őket, aztán várni, amíg lenyugszanak. És itt van a baj: a várakozás ott jelent bottlenecket, ami lassítja a kapcsolást és az irányítást.

Képzeld el úgy, mintha egy autópályán a sávváltáshoz minden egyes autót le kellene inteni, hogy húzódjon félre, várjon, aztán visszaolvadjon a forgalomba. Lassú és hatástalan.

A jelenlegi csúcstechnológia nanoszekundumos vagy pikoszekundumos skálán mozog – az emberi léptékkel ez elképesztő gyorsaság, de a jövő számítógépeihez és kommunikációs rendszereihez képest már csigatempó.

Amikor a fény beszél a fényhez

A Caltech csapata, Harry Atwater vezetésével, teljesen más utat választott. Nem elektromos jelekkel manipulálták a fényt, hanem egy fénynyalábbal irányították a másikat.

A módszer az optikai Kerr-effektuson alapul. Ha egy intenzív fénynyaláb áthalad bizonyos anyagokon, ideiglenesen megváltoztatja, hogy az anyag hogyan lép kölcsönhatásba a fénnyel – módosítja az úgynevezett törésmutatót. Ez olyan gyorsan történik, mert az elektronokat nem lökdösik át teljesen új energiaállapotokba, csak picit mozgatják az aktuális pályájukon belül.

De van egy csavar: önmagában ez a hatás rendkívül gyenge. Egy kis módosítás önmagában nem elég ahhoz, hogy érdemben átirányítsunk egy fénynyalábot.

Itt jönnek a nanoszkopikus oszlopok

A kutatók itt lettek igazán leleményesek. Létrehoztak egy úgynevezett meta-felületet – egy amorf szilíciumlemezt, amelyet nanométeres oszlopok borítanak, mindegyik kisebb, mint a használt fény hullámhossza.

Ezek az apró oszlopok mini optikai csapdaként működnek. A fényt egy kicsit tovább tartják az anyagon belül, mint normál esetben történne, ezzel több időt adva a Kerr-effektusnak. Ez a meghosszabbított kölcsönhatás felerősíti a törésmutató-változást, egészen addig, amíg már képes a vizsgált nyalábot akár 13 fokkal elfordítani.

Az egész folyamat mindössze 74 femtoszekundum alatt lezajlik – és ez nem az anyag korlátja, hanem a használt lézerek impulsushosszánaklimitje.

Miért fontos ez?

Gondolj bele: ha valahogy fel lehetne skálázni ezt a technológiát, egy ilyen számítógép optikai jeleket milliószor gyorsabban dolgozhatna fel, mint amit ma lehetségesnek tartunk.

A potenciális alkalmazások között ott van a távközlés, az önvezető autók LiDAR-rendszerei, vagy akár olyan szenzorok, amelyek egyetlen molekulát is képesekdetektálni – például orvosi diagnosztikában.

És itt jön a legizgalmasabb rész: a kutatók szerint a jelenlegi sebességlimit nem a technológia alapvető korlátja. Csak a lézerek limitje. Jobb impulzusokkal ez még gyorsabb lehet – ami ajtókat nyithat olyan fogalmakhoz, mint az időkristályok vagy szintetikus, időben változó optikai anyagok, amelyek úgy hangzanak, mintha sci-fiből léptek volna elő.

A nagy kép

Ez a kutatás egy elmozdulást jelent: az elektronika alapú fényirézésről a tiszta optikára való áttérést. Olyan világ felé haladunk, ahol a fény nem csak információt szállít – hanem aktívan részt vesz annak feldolgozásában.

Jövőre ez forradalmasítja a számítástechnikát? Valószínűleg nem. De azok közé az alapvető áttörések közé tartozik, amelyek emlékeztetnek: olyan korszakban élünk, ahol a lehetséges határait laboratóriumokban rajzolják újra, femtoszekundumról femtoszekundumra.

Nekem ez egyszerre alázatos és izgalmas.