Šviesos bangos osciliuoja nepalyginamai sparčiau, nei gali užfiksuoti dauguma jutiklių. Ta pati problema būdinga visiems komerciniams šviesos jutikliams: jie veikia kaip mikrofonas, kuris gali atskirti, ar žmonių minia šaukia, ar šnibžda, bet negali išskirti atskirų žodžių. Tačiau metus mokslininkai ir inžinieriai kūrė protingas technikas, galinčias pajusti patį šviesos lauką, ne tik bendrą jos nešamą energiją.
Šviesos bangos osciliuoja nepalyginamai sparčiau, nei gali užfiksuoti dauguma jutiklių. Pavyzdžiui, fotovoltinis elementas ar fotodetektorius, naudojamas užfiksuoti nuotolinio valdymo pulto siunčiamą signalą, tegali pajusti bendrą šviesos siunčiamą energiją — subtilių sparčiai osciliuojančių elektrinių laukų, iš kurių šviesa sudaryta jis negali užfiksuoti. Iš esmės, ta pati problema būdinga visiems komerciniams šviesos jutikliams: jie veikia kaip mikrofonas, kuris gali atskirti, ar žmonių minia šaukia, ar šnibžda, bet negali išskirti atskirų žodžių.
© MIT Research Laboratory of Electronics
Tačiau per pastaruosius kelis metus mokslininkai ir inžinieriai kūrė protingas technikas, galinčias pajusti patį šviesos lauką, ne tik bendrą jos nešamą energiją. Tai nelengva, nes reikia atskirti itin trumpus, vos kelių femtosekundžių trukmės laiko intervalus. Femtosekundė yra milijonoji milijardosios sekundės dalies. Dėl to tokios technologijos aparatų kūrimo kaštai didžiuliai ir buvo apriboti keliomis specializuotomis tyrimų laboratorijomis. Norint platesnio panaudojimo, reikia, kad tai būtų kompaktiška, gaminama serijiniu būdu ir paprastai naudojama.
Naujoje žurnalo „Nature Communications“ publikacijoje, MIT Elektronikos tyrimų laboratorijos postdoktorantas Yujia Yang su bendradarbiais iš MIT, Kalifornijos universiteto Davise, Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), ir Hamburgo universiteto Vokietijoje pademonstravo mikrolustą, kurio nanometrų dydžio eilės grandyno elementai veikia kaip antenos, juntančios šviesos elektrino lauko virpesius beveik 1 kvadrilijono kartų per sekundę dažniu. Šis lustas yra mažas, visa įranga yra jame, o jo rezultatų nuskaitymui tereikia nebrangios elektronikos.
Jų darbas turi potencialą „šviesos bangų elektronikai“ suteikti naują pritaikymą greitam signalo apdorojimui, panaudojant kelių ciklų optinių impulsų elektrinio lauko bangas. „Regime plačią naujų optinių ir elektroninių įrenginių, paremtų šia technologija, gamą, – sako Karl Berggren, MIT elektros inžinerijos profesorius ir darbo bendraautorius. – Pavyzdžiui, ši technologija galėtų būti panaudota būsimuose įrenginiuose, kuriais matuojamas atstumas iki tolimų objektų, GPS technologijai kritiškai svarbiuose optiniuose laikrodžiuose, ir cheminėje dujų analizėje.“
Demonstruodami įrenginio veikimą, tyrėjai iš pradžių generavo optinius pulsus specialia lazerio sistema, galinčia kurti vos kelių optinių ciklų impulsus. Tada jais apšvietė mikrolustą, kuriame jie išdėstė šimtus mažų antenų iš ultraplonos aukso folijos.. Kad elektrinis signalas būtų pakankamai stiprus, tarp antenų turėjo būti siauri, vienos 10 milijardosios metro pločio, tarpai. Per šiuos siaurus plyšius sklindanti šviesa kūrė galingus elektrinius laukus, išlaisvinančius elektronus iš vienos antenos, ir per orą perkeliančius į kitą anteną. Nors kiekviena antena sukurdavo tik silpną elektros srovę, bendras antenų masyvo signalas buvo jau reikšmingas ir galėjo būti lengvai išmatuotas.
Darbą rėmė JAV Oro Pajėgų mokslinių tyrimų biuras, Europos mokslo tarybal, ir MIT-Hamburg PIER programa DESY.
Nuoroda: „Light phase detection with on-chip petahertz electronic networks“ – Yujia Yang, Marco Turchetti, Praful Vasireddy, William P. Putnam, Oliver Karnbach, Alberto Nardi, Franz X. Kärtner, Karl K. Berggren ir Phillip D. Keathley, 2020 liepos 8 diena, Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-020-17250-0
