Světlo ovládá světlo: Měkké fotonické spínače z gelu slibují revoluci v rychlosti a úspornosti elektroniky
InovaceMezinárodní tým vědců dosáhl významného průlomu ve vývoji fotonických zařízení, která namísto elektřiny využívají světlo. Podařilo se jim vyvinout nový způsob, jak ovládat světlo pomocí světla, a to s velmi nízkou intenzitou a bez nutnosti měnit fyzikální vlastnosti materiálů.
Mezinárodní tým vědců dosáhl významného průlomu ve vývoji fotonických zařízení, která namísto elektřiny využívají světlo. Podařilo se jim vyvinout nový způsob, jak ovládat světlo pomocí světla, a to s velmi nízkou intenzitou a bez nutnosti měnit fyzikální vlastnosti materiálů. Tato inovace otevírá cestu k výrobě takzvaných „měkkých“ fotonických spínačů z materiálů jako jsou polymery a gely, které slibují být rychlejší a energeticky úspornější než dnešní elektronika.
Inspirace pro toto zařízení vzešla od Igora Muševiče, profesora fyziky z Lublaňské univerzity, který projekt vedl. Myšlenka se zrodila na konferenci v San Franciscu při přednášce Stefana W. Hella o mikroskopii STED (Stimulated Emission Depletion), za kterou Hell získal Nobelovu cenu za chemii v roce 2014. Muševič si uvědomil, že tato technika, využívající dva lasery k vytvoření extrémně malého světelného paprsku, je vlastně manipulací světla světlem. Jeho poznatek vedl k vývoji zařízení, do kterého je vyslán laserový puls. Zda tento paprsek opustí zařízení, závisí na tom, zda je méně než nanosekundu poté vyslán druhý puls.
Fotonický spínač z tekutých krystalů
Zařízení se skládá z kulovité kuličky tekutého krystalu, udržované ve tvaru svými elastickými vlastnostmi a mezimolekulárními silami, naplněné fluorescenčním barvivem a zachycené mezi čtyřmi vzpřímenými kuželovitými polymerními strukturami, které vedou světlo dovnitř a ven. Když je laserový puls vyslán jedním z polymerních vlnovodů, světlo se rychle přenese do tekutého krystalu a excituje fluorescenční barvivo. Díky rezonanci v režimu „šeptající galerie“ se fotony uvnitř tekutého krystalu odrážejí zpět pokaždé, když narazí na kulovitý povrch kapaliny. Světlo tak cirkuluje uvnitř dutiny, dokud se nakonec neodrazí do jednoho z vlnovodů, který pak fotony vyzařuje jako laserový paprsek.
Tým zjistil, že vyslání druhého laserového pulsu jiné barvy do vlnovodů předtím, než tekutý krystal začal emitovat světlo z prvního pulsu, vedlo k stimulované emisi excitovaných molekul barviva. Fotony z druhého laserového pulsu, který musel být vyslán do vlnovodů po prvním pulsu, interagují s již excitovanými molekulami barviva. Tato interakce způsobí, že barvivo emituje fotony identické s těmi v druhém pulsu, zatímco vyčerpává energii z prvního pulsu. Druhý laserový paprsek, nazývaný STED paprsek, je tímto procesem zesílen, zatímco světlo z prvního pulsu je natolik oslabeno, že není vůbec emitováno. Tím, že bylo možné ovládat výsledek prvního laserového pulsu pomocí druhého, tým úspěšně demonstroval ovládání světla světlem.