کریستال زمان فوتونی؛ کنترل نوین نور در فرکانس تراهرتز

تصور کنید کلیدی را نه در فضا، بلکه در زمان روشن و خاموش کنید؛ آن هم با همان آهنگی که خود نور نوسان می‌کند. این همان ایده جسورانه‌ای است که پشت تازه‌ترین دستاورد گروهی از پژوهشگران فرانسوی و آلمانی قرار دارد: نخستین کریستال زمان فوتونی که می‌تواند نور را در فرکانس‌های تراهرتز شکل دهد.

کریستال‌های فوتونی سنتی مانند مهندسان ترافیک در مقیاس میکروسکوپی برای فوتون‌ها عمل می‌کنند. الگوهای بسیار ریز درون مواد، طول‌موج‌های مشخصی را هدایت، به دام می‌اندازند یا پس می‌زنند؛ درست همان‌طور که شبکه بلوری یک نیمه‌رسانا رفتار الکترون‌ها را کنترل می‌کند. تا امروز، پژوهشگران رفتار یک کریستال را با تغییر شرایطی مانند دما یا میدان‌های مغناطیسی دگرگون می‌کردند و سپس منتظر می‌ماندند تا ماده به یک پاسخ نوری تازه اما ایستا برسد.

این دستگاه تازه، آن الگوی رایج را کنار می‌زند. به جای الگوی تکرارشونده‌ای که در فضا حک شده باشد، این گروه الگویی ساخته‌اند که در زمان تکرار می‌شود. ویژگی‌های نوری آن در مقیاس پیکوثانیه تغییر می‌کند؛ تپشی چنان سریع که با نوسان‌های نوری که کنترل می‌کند رقابت می‌کند. نتیجه، کنترل پویای نور در باند تراهرتز است؛ با تغییراتی آن‌قدر سریع که می‌توانند با ریتم ذاتی نور برهم‌کنش داشته باشند.

رسیدن به این نقطه به طراحی بسیار پیچیده‌ای نیاز داشت. پژوهشگران یک فراماده پلاسمونیکی مهندسی کردند: آرایه‌هایی از ساختارهای طلایی در مقیاس میکرون که روی یک لایه نازک عایق و بالای یک نیمه‌رسانای آنتیمونید ایندیم نقش بسته‌اند. این عناصر طلایی حفره‌های بسیار کوچکی می‌سازند که انرژی الکترومغناطیسی را در شکاف میان فلز و نیمه‌رسانا به دام می‌اندازند. وقتی سطح نیمه‌رسانا تحریک می‌شود، پلاسمون‌های سطحی، یعنی موج‌های جمعی الکترون‌ها، فعال می‌شوند و نوسان‌های نوری را ثبت و پایدار نگه می‌دارند.

پالس‌های کوتاه تحریک، این تشدیدهای پلاسمونیکی را در بازه‌های زمانی فوق‌سریع تنظیم می‌کنند. در نتیجه، فوتون‌های به دام افتاده محیطی را تجربه می‌کنند که هم‌زمان با گردش آن‌ها در حال تغییر است. می‌توان آن را به تالار آینه‌ای تشبیه کرد که در آن، آینه‌ها هنگام بازتاب نور جابه‌جا می‌شوند. چنین سطحی از شکل‌دهی زمانی، امکان‌هایی را پیش روی فوتونیک می‌گذارد که کریستال‌های فوتونی پایدار و ایستا به‌سادگی به آن دسترسی ندارند.

اهمیت این دستاورد در چیست؟ زیرا کنترل نور در زمان و با سرعت‌های تراهرتز، قواعد چندین فناوری را از نو می‌نویسد. رایانش نوری فوق‌سریع زمانی عملی‌تر می‌شود که حالت‌های نوری بتوانند با آهنگ خود نور سوئیچ و مسیریابی شوند. سامانه‌های ارتباطی می‌توانند به کانال‌های تازه و روش‌های مدولاسیون هوشمندتر دست پیدا کنند. تصویربرداری پزشکی نیز ممکن است از لیزرهایی بهره ببرد که در پنجره‌های زمانی بسیار ریز تنظیم‌پذیرند و از این راه، کنتراست را بهبود می‌دهند یا سرعت ثبت داده را افزایش می‌دهند. این روش همچنین به نسل تازه‌ای از لیزرها و حسگرهای قابل تنظیم اشاره دارد.

این پژوهش حاصل همکاری میان اکول پلی‌تکنیک، کلژ دو فرانس و مرکز هلمهولتز درسدن-روزندورف است. یافته‌هایی که مرزهای کنترل زمانی در فوتونیک را جلوتر می‌برند، در مجله نیچر منتشر شده‌اند.

ما معمولا پیشرفت را با کوچک‌تر شدن قطعات و ظریف‌تر شدن الگوها می‌سنجیم. این بار، پیشرفت از بازآرایی خودِ ترتیب رویدادها به دست آمده است؛ و پیامدهای آن برای شیوه کنترل و استفاده از نور تازه در حال آشکار شدن است.