Naukowcy z UChicago opracowali najmniejsze jak dotąd dowody na istnienie światła

Kierowanie światła z jednego miejsca do drugiego jest podstawą naszego współczesnego świata. Pod oceanami i między kontynentami kable światłowodowe przenoszą światło, które koduje wszystko, od filmów z YouTube po przelewy bankowe — wszystko w pasmach wielkości włosa.

Jednak profesor Jeong Park z University of Chicago zastanawiał się, co by się stało, gdybyś zrobił jeszcze cieńsze, bardziej płaskie włókna – tak cienkie, że w rzeczywistości są dwuwymiarowe zamiast trójwymiarowych. Co stanie się ze światłem?

Dzięki serii innowacyjnych eksperymentów on i jego zespół odkryli, że tafla szklanego kryształu o grubości zaledwie kilku atomów może uwięzić i przepuszczać światło. Nie tylko to, ale był zaskakująco wydajny i mógł pokonywać stosunkowo duże odległości — do centymetra, co jest dość daleko w świecie komputerów opartych na świetle.

Badania, opublikowane 10 sierpnia w czasopiśmie Science, pokazują, czym są zasadniczo dwuwymiarowe obwody optyczne i mogą otworzyć drogę do nowej technologii.

powiedział główny autor badań Jiwoong Park, profesor i przewodniczący wydziału chemii oraz członek wydziału w James Frank Institute i Pritzker School for Molecular Engineering. Uwięzione światło również zachowuje się tak, jakby podróżowało w przestrzeni dwuwymiarowej.

światło prowadzące

Nowo opracowany system jest sposobem prowadzenia światła – znanym jako falowód – i jest zasadniczo dwuwymiarowy. W testach naukowcy odkryli, że mogą użyć maleńkich pryzmatów, soczewek i przełączników, aby skierować ścieżkę światła wzdłuż płytki – wszystkich elementów obwodów i obliczeń.

Obwody optyczne istnieją, ale są znacznie większe i trójwymiarowe. Co najważniejsze, w obecnych falowodach cząsteczki światła — zwane fotonami — zawsze poruszają się wewnątrz falowodu.

Naukowcy wyjaśnili, że w tym systemie szklisty kryształ jest w rzeczywistości cieńszy niż sam foton – więc część fotonu faktycznie wystaje poza kryształ podczas podróży.

To trochę jak różnica między budowaniem rury do wysyłania toreb na lotnisko, a umieszczaniem ich na taśmie przenośnika. Dzięki przenośnikowi taśmowemu worki są otwarte na powietrze i można je łatwo zobaczyć i wyregulować po drodze. Takie podejście bardzo ułatwia tworzenie skomplikowanych urządzeń przy użyciu szklanych kryształów, ponieważ światło można łatwo przenosić za pomocą soczewek lub pryzmatów.

Fotony mogą również pobierać informacje o warunkach po drodze. Rozważ sprawdzanie toreb przychodzących z zewnątrz, aby sprawdzić, czy na zewnątrz pada śnieg. Podobnie naukowcy mogliby sobie wyobrazić wykorzystanie tych falowodów do budowy czujników na poziomie mikroskopowym.

„Załóżmy na przykład, że masz próbkę płynu i chcesz wyczuć, czy obecna jest dana cząsteczka” – wyjaśnił Park. „Możesz zaprojektować go tak, aby ten falowód przechodził przez próbkę, a obecność tej cząsteczki zmieni zachowanie światła”.

Naukowcy są również zainteresowani budowaniem ultracienkich obwodów fotonicznych, które można układać w stosy, aby łączyć wiele małych urządzeń na tym samym obszarze chipa. Szklany kryształ, którego użyli w tych eksperymentach, to dwusiarczek molibdenu, ale zasady muszą działać w przypadku innych materiałów.

Chociaż teoretycy spodziewali się, że takie zachowanie będzie obecne, uświadomienie sobie tego w laboratorium było długą podróżą, twierdzą naukowcy.

powiedział doktorant Hanyu Hong, współautor artykułu.

Myungjae Lee (wcześniej badacz z tytułem doktora na UChicago, obecnie wykładowca na Uniwersytecie Narodowym w Seulu) był kolejnym pierwszym współautorem artykułu. Współautorami artykułu byli również badacz z tytułem doktora Jaehyung Yu, Fauzia Mujid (doktorat 22, obecnie w Ecolab) oraz doktoranci Andrew Ye i Si Liang.

Naukowcy wykorzystali Centrum Badań i Inżynierii Materiałowej Uniwersytetu w Chicago, zakłady produkcyjne w Pritzker Nanofabrication Facility oraz Cornell Center for Materials Research.