საფრანგეთისა და გერმანიის მკვლევართა საერთაშორისო ჯგუფმა პირველი, სრულად ოპტიკური ფოტონური დროის კრისტალი შექმნა. ეს არის მასალა, რომლის ოპტიკური თვისებები დროში სწრაფად და მრავალჯერ იცვლება. ჯგუფში საფრანგეთის პოლიტექნიკური ინსტიტუტი, Collège de France და გერმანიის ჰელმჰოლც-დრეზდენ-როსენდორფის ცენტრი (HZDR) შედიოდა. კვლევა ჟურნალ Nature-ში გამოქვეყნდა. მკვლევრები ფიქრობენ, რომ აღმოჩენამ, შესაძლოა, ულტრასწრაფი ოპტიკური კომპიუტერების, თანამედროვე სატელეკომუნიკაციო სისტემების, მაღალხარისხიანი რეგულირებადი ლაზერებისა და მოწინავე ვიზუალიზაციის ტექნოლოგიების შექმნას შეუწყოს ხელი.

აღმოჩენა HZDR-ის ტერაჰერცული გამოსხივების წყარომ, TELBE-მ, გახადა შესაძლებელი. ამ სისტემამ მკვლევრებს საშუალება მისცა, შეესწავლათ სინათლისა და მატერიის ურთიერთქმედების ისეთი ფორმა ტერაჰერცულ დიაპაზონში, რომელიც აქამდე შეუსწავლელი იყო. ტერაჰერცული დიაპაზონი ელექტრონიკასა და ფოტონიკას შორისაა მოქცეული და დღემდე შედარებით ნაკლებადაა შესწავლილი. თუმცა ამ სფეროში კვლევები სწრაფად ვითარდება, რადგან ტერაჰერცული სიხშირეები ელექტრონულ კომპონენტებში გამოყენებულ სიხშირეებზე 1000-ჯერ სწრაფია. ეს მკვლევრებს მატერიის შესწავლისა და მართვის ახალ, ძლიერ საშუალებებს სთავაზობს.

ტერაჰერცული გამოსხივება ელექტრომაგნიტური ტალღების ის დიაპაზონია, რომელიც რადიოტალღებსა და ინფრაწითელ სინათლეს შორისაა მოქცეული, ანუ ზუსტად იმ საზღვარზე, სადაც ელექტრონული ტექნოლოგიები (რადიო, მიკროტალღები) მოქმედების არეს კარგავს, ფოტონურები კი (ლაზერები, ოპტიკური ხელსაწყოები) ჯერ არ იწყება. სწორედ ამიტომ, დღემდე შედარებით ნაკლებადაა შესწავლილი.

"ტერაჰერცული დიაპაზონი ელექტრონულ და ფოტონურ ტექნოლოგიებს შორის საზღვარს წარმოადგენს. ეს სფერო შესაძლებლობებით სავსეა, როგორც მეცნიერებისთვის, ისე საზოგადოებისთვის, თუმცა საკუთარ ელექტრულ და ფოტონურ ანალოგებთან შედარებით, ტექნოლოგიურად მაინც ნაკლებადაა განვითარებული. ფოტონური კრისტალების შექმნას ამ ხარვეზის შევსებისკენ მივყავართ", — თქვა იანის ლაპლასმა, საფრანგეთის პოლიტექნიკური ინსტიტუტის ასისტენტ-პროფესორმა.

ჩვეულებრივი ფოტონური კრისტალები ნანოსტრუქტურული მასალებია. მათში მესერის მსგავსი განმეორებადი ოპტიკური სტრუქტურა, ფოტონების მოძრაობას განსაზღვრავს. მეცნიერები სხვადასხვა ფორმისა და გარდატეხის მაჩვენებლების მქონე მასალებს ერთმანეთთან ზუსტად აერთებენ და ამის საშუალებით სინათლის კონკრეტული ტალღის სიგრძეების დაბლოკვა, მართვა ან გაძლიერება შეუძლიათ. ეს პროცესი ნახევარგამტარების მიერ ელექტრონების მართვას ჰგავს. ჯგუფის ადრინდელმა ექსპერიმენტებმა აჩვენა, რომ ტემპერატურასა და მაგნიტურ ველებს ფოტონური კრისტალების მიერ სინათლის დაჭერის უნარის შეცვლა შეუძლია. თუმცა ამ პირობების დადგენის შემდეგ ოპტიკური თვისებები დროში უცვლელი რჩებოდა.

ახალი მოწყობილობა გაცილებით შორს მიდის. მისი ოპტიკური თვისებები, მაგალითად არეკვლადობა და რეზონანსული სიხშირე, დინამიურად და პიკოწამების მასშტაბით იცვლება. ეს სიჩქარე სინათლის საკუთარი რხევების სიხშირესთან ახლოს დგას. ჩვეულებრივი ფოტონური კრისტალისგან განსხვავებით, რომელშიც სტრუქტურა სივრცეშია განაწილებული, ფოტონური დროის კრისტალი ამ განმეორებად ნიმუშს დროში ქმნის.

ტერაჰერცული ელექტრომაგნიტური ტალღა ძლიერ და სწრაფ დროით მოდულაციებს იწვევს, რომლებიც ფოტონურ დროის კრისტალს, ფოტონისთვის დროში აგებულ კრისტალურ მესერს აყალიბებს

ფოტო: B. Schröder/HZDR

"ფოტონური კრისტალების სივრციდან დროში გავრცობით, სინათლის მართვის ახალ განზომილებას, და გაძლიერებისა და ლაზერული გამოსხივებისკენ მიმავალ ახალ გზასაც ვხსნით. ეს ტერაჰერცული და უფრო მაღალი სიხშირეების ოპტიკური ტექნოლოგიებისთვის გარდამტეხი შეიძლება გახდეს", — თქვა ტინგვენ გუომ, საფრანგეთის პოლიტექნიკური ინსტიტუტის დოქტორანტმა და კვლევის მთავარმა ავტორმა.

ასეთი სწრაფი მართვის მისაღწევად, მკვლევრებმა უაღრესად სპეციალიზებული და კომპლექსური მოწყობილობა ააგეს. ამაში მათ თალესის ალბერ ფერის ლაბორატორია და პოლიტექნიკური ინსტიტუტის ინტერფეისების ფიზიკის ლაბორატორია დაეხმარა. მოწყობილობა ფოტონური კრისტალის ერთ-ერთი სახეობაა და მას პლაზმონურ მეტამასალას უწოდებენ. მასალა მიკრომეტრული მასშტაბის ოქროს დაკბილული სტრუქტურებისგან შედგება, რომლებიც იზოლატორის ფენისა და ნახევარგამტარის ზემოთ არის განთავსებული. ეს ნახევარგამტარი ინდიუმისა და ანტიმონის ნაერთისგანაა დამზადებული. ოქროს სტრუქტურები მცირე ღრუებს ქმნის, რომლებიც სინათლეს ოქროსა და ნახევარგამტარის ფენებს შორის იჭერს. როცა ნახევარგამტარის ზედაპირი ენერგიით გააქტიურდება, ის "ზედაპირულ პლაზმონებს" წარმოქმნის, ანუ ელექტრონების კოლექტიურ ტალღებს, რომლებსაც სინათლის დაჭერისა და მისი რხევების შენარჩუნების უნარი აქვს. სწორედ ეს ურთიერთქმედება აძლევდა მკვლევრებს დაჭერილი ფოტონების უჩვეულო სისწრაფით მართვის საშუალებას.

ჯგუფმა მოწყობილობა HZDR-ის ELBE ამაჩქარებელზე TELBE-ის მიერ წარმოქმნილი ტერაჰერცული ლაზერული იმპულსების ზემოქმედებას დაუქვემდებარა. ეს წყარო ინტენსიურ ტერაჰერცულ გამოსხივებას წარმოქმნის, რომლის სხვადასხვა სიხშირეზე მორგებაცაა შესაძლებელი. ამის წყალობით მკვლევრებმა მასალის ოპტიკურ თვისებებში, განსაკუთრებით მის არეკვლადობაში, ერთდროულად ძლიერი და სწრაფი ცვლილებების შეტანა შეძლეს. ორივე ეფექტის ერთდროული მიღწევა დიდ ტექნიკურ დაბრკოლებას წარმოადგენდა. ცვლილების სიძლიერე საგნისთვის სრულიად სხვა ფერის გამოსხივების დაძალებას ჰგავდა, ხოლო თავად ცვლილება პიკოწამურ მასშტაბზე, ანუ წამის ტრილიონედში, მიმდინარეობდა.

"TELBE-ის უნიკალურმა უნარმა, შექმნას მაღალველიანი და ფაზურად სტაბილური ტერაჰერცული იმპულსები, გადამწყვეტი როლი ითამაშა. ამ ინფრასტრუქტურის გარეშე, კოჰერენტული, ულტრასწრაფი მოდულაციის მიღწევა, რომელიც ფოტონური დროის კრისტალის რეჟიმისთვისაა საჭირო, შეუძლებელი იქნებოდა", — თქვა იან-კრისტოფ დაინერტმა, TELBE-ის ობიექტის კოორდინატორმა.

Collège de France-ის მკვლევარმა, მარკო შირომ, და მისმა ჯგუფმა თეორიული მოდელი შეიმუშავეს. ამ მოდელმა ექსპერიმენტული შედეგები დაადასტურა და მკვლევრებს დაეხმარა აეხსნათ, ფოტონები მოწყობილობის შიგნით როგორ იქცეოდა. გამოთვლებმა ისიც აჩვენა, რომ მასალის დროში ცვლილებამ ფოტონების დისიპაცია გაანახევრა. დისიპაცია ნიშნავს ფოტონების იმ წილს, რომელიც არ აირეკლება, არამედ მეტამასალაში გადის და მას გაივლის.

"თეორია არა მხოლოდ ექსპერიმენტს იმეორებს, არამედ ამ სისტემაში მომავალი აღმოჩენების სამომავლო წარმართვისთვის საფუძველსაც იძლევა", — თქვა შირომ.

მკვლევრები ახლა გეგმავენ, ფოტონების დისიპაცია კიდევ უფრო შეამცირონ და კრისტალში დაჭერილი ფოტონების რაოდენობა გაზარდონ. თუ საკმარისად ძლიერი გაძლიერება მიიღწევა, მოწყობილობა ახალი, უაღრესად მოქნილი ლაზერების საფუძველი შეიძლება გახდეს. საბოლოო ჯამში, ფოტონურ დროის კრისტალებს ტერაჰერცული დიაპაზონის ფარგლებში სინათლის გამოყენების წესის შეცვლა შეუძლია. მათი უნარი, სინათლე უკიდურესად მოკლე დროის მონაკვეთებში შეცვალოს, ხელს შეუწყობს სამედიცინო ვიზუალიზაციისა და კომუნიკაციისთვის ულტრასწრაფი ლაზერების შექმნას. გარდა ამისა, ტექნოლოგიას შეუძლია სინათლის "ფერისა" თუ ინტენსივობის მსგავსი პარამეტრების თითქმის მყისიერად და საჭიროებისამებრ დარეგულირებაც. ეს კი სწრაფი, ჭკვიანი და უფრო მოქნილი ოპტიკური სისტემების შექმნამდე მიგვიყვანს.

თუ სტატიაში განხილული თემა და ზოგადად: მეცნიერებისა და ტექნოლოგიების სფერო შენთვის საინტერესოა, გამოიწერე ჩვენი YouTube არხი და უყურე თემატურ ვიდეოებს.