Wetenschappers hebben het eerste volledig optische fotonische tijdkristal gebouwd, een materiaal dat niet in ruimte maar in tijd verandert hoe het met licht omgaat. De doorbraak, gerapporteerd in Nature, stelt onderzoekers in staat om terahertz-licht te vervormen met snelheden duizend keer sneller dan de huidige elektronische componenten. Het zou ultrasnelle computers, slimmere communicatie en een nieuwe klasse van afstembare lasers kunnen opleveren.
Het werk kwam voort uit een samenwerking tussen École Polytechnique, Collège de France en Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) in Duitsland. Met behulp van HZDR's krachtige TELBE superradiant terahertz-bron dreef het team snelle, herhaalde veranderingen in het optische gedrag van het materiaal. Dit creëerde een "kristalrooster in tijd" voor fotonen, een concept dat tot nu toe alleen in theorie bestond.
Een nieuwe manier om licht te controleren: door tijd, niet ruimte
Conventionele fotonische kristallen zijn nanostructuren met een zich herhalend optisch patroon, zoals een rooster, dat controleert hoe fotonen bewegen. Door materialen met verschillende vormen en brekingsindices te rangschikken, kunnen wetenschappers specifieke golflengtes van licht blokkeren, geleiden of versterken. Deze kristallen controleren fotonen op dezelfde manier als halfgeleiders elektronen controleren.
Eerdere experimenten van hetzelfde team toonden aan dat temperatuur en magnetische velden het vermogen van een fotonisch kristal om licht te vangen konden veranderen. Maar zodra die omstandigheden waren ingesteld, bleef het optische gedrag vast. Het nieuwe apparaat gaat verder: de optische eigenschappen veranderen snel en herhaaldelijk in de tijd, aangedreven door intense terahertz-pulsen. Dit is de eerste keer dat zo'n tijdsvariërend kristal is gerealiseerd met alleen licht.
Waarom het terahertz-gebied ertoe doet
Het terahertz-gedeelte van het elektromagnetische spectrum ligt tussen conventionele elektronica en fotonica. Het wordt grotendeels onderbenut, maar biedt snelheden die ongeveer 1.000 keer sneller zijn dan elektronische componenten. Dat maakt het aantrekkelijk om materie op nieuwe manieren te onderzoeken en manipuleren.
Yannis Laplace, universitair docent aan École Polytechnique en leider van het team bij het Laboratorium voor Bestraalde Vaste Stoffen, noemde het terahertz-gebied "de grens tussen elektronische en fotonische technologieën." Hij merkte op dat het vol kansen zit voor wetenschap en samenleving, maar nog steeds onderontwikkeld is vergeleken met zijn elektrische en fotonische tegenhangers. Het creëren van fotonische kristallen, zei hij, zou die kloof kunnen helpen dichten.
Het eerdere werk van het team toonde aan dat temperatuur en magnetische velden konden veranderen hoe fotonische kristallen licht vangen. Maar die veranderingen waren statisch. De nieuwe volledig optische benadering maakt het gedrag van het kristal dynamisch, waardoor een voorheen ontoegankelijke vorm van licht-materie-interactie wordt geopend.
Een stap richting ultrasnelle optische apparaten
De prestatie werd mogelijk gemaakt door HZDR's TELBE-bron, die intense terahertz-pulsen produceert. Deze pulsen veroorzaken sterke, snelle modulaties in het materiaal, waardoor het tijdkristal ontstaat. Het resultaat is een materiaal dat licht kan controleren op manieren die voorheen niet mogelijk waren.
Mogelijke toepassingen zijn onder meer ultrasnelle optische computers, geavanceerde telecommunicatie en volledig nieuwe terahertz-lasers. De aanpak zou ook beeldvorming en detectietechnologieën kunnen verbeteren. Voor nu heeft het team het principe gedemonstreerd, maar de weg naar praktische apparaten ligt nog voor ons.
Deze doorbraak markeert een verschuiving in hoe wetenschappers denken over het controleren van licht. In plaats van materialen in de ruimte te vormen, kunnen ze ze nu in de tijd vormen. Het terahertz-gebied, ooit een gat tussen elektronica en fotonica, wordt misschien eindelijk gesloten.
