Evropská výzkumná centra v čele s Ústavem Maxe Plancka pro jadernou fyziku v Heidelbergu a laserovým zařízením FLASH v německém Hamburku zaznamenala zásadní pokrok v řízení extrémně krátkých světelných impulsů. Vědcům se za pomoci plynného hélia podařilo vytvořit časově proměnlivou čočku schopnou tvarovat a směrovat laserové paprsky v extrémní ultrafialové oblasti. Paralelně pak americký tým z Kalifornského technologického institutu představil metodu využívající nanostrukturované povrchy, která mění směr světelného paprsku za pouhých 74 femtosekund. Obě výzkumné větve otevírají cestu k rychlejším kvantovým počítačům i přesnější chemické spektroskopii.
- Tým z Heidelbergu využil v Hamburku plynné hélium jako dynamickou čočku pro tvarování ultrafialových laserových impulsů.
- Vědci z Caltechu dokázali odklonit světelný paprsek o 13 stupňů za pouhých 74 femtosekund pomocí optického Kerrova jevu.
- Nové metody nahrazují klasické skleněné čočky a elektronické čipy zcela novými přístupy k manipulaci se světlem.
Německý výzkum využívá plynné hélium místo pevných čoček
Řízení světla na nejkratších vlnových délkách představuje v moderní fyzice dlouhodobou výzvu. Zatímco viditelné světlo lze snadno ohýbat a zaostřovat pomocí skleněných čoček či zrcadel, fotony s vysokou energií v extrémní ultrafialové oblasti (XUV) klasické optické prvky pohlcují. Výzkumníci z německého Ústavu Maxe Plancka pro jadernou fyziku (MPIK) v Heidelbergu proto použili jako optický prvek atomární plyn.
Při experimentech v hamburském centru FLASH zaměřili vědci vysokoenergetické XUV paprsky s fotonovou energií 21,2 elektronvoltu do plynové cely s atomy hélia. Intenzivní světlo vyvolalo v atomovém prostředí kvantový proces známý jako Rabihova oscilace, při němž dochází k rychlému přechodu elektronů mezi energetickými hladinami. Protože je laserový paprsek nejintenzivnější ve svém středu, vytvořila tato variace intenzity změnu indexu lomu samotného prostředí.
Soustava plynného hélia se při vysoké intenzitě laseru a vyšším tlaku začala chovat jako dynamická čočka, která dokázala odklonit paprsek a vytvořit charakteristickou dvouvcholovou strukturu v jeho spektru.
První autor studie Yu He a ředitel ústavu MPIK Thomas Pfeifer uvedli, že tento přístup publikovaný v časopise Science Advances umožňuje tvarovat časový i spektrální profil laserových impulsů v řádu atosekund (10⁻¹⁸ sekundy), což je rychlost dostatečná k přímému sledování pohybu elektronů.
Američtí fyzici mění směr světla pomocí světelného impulsu
Na odlišný způsob ultra-rychlého směrování světla se zaměřili výzkumníci z Kalifornského technologického institutu (Caltech). Místo plynu využili takzvaný optický Kerrův jev, tedy schopnost intenzivního světla měnit index lomu materiálu. Výsledky jejich práce, na nichž spolupracovali Claudio Hall a Harry Atwater, vyšly v časopise Nature Nanotechnology.
Dosavadní metody řízení světelných paprsků se spoléhaly na změny elektronických vlastností optických čipů nebo tekutých krystalů, což omezovalo reakční dobu na nanosekundy až pikosekundy. Tým z Caltechu však nahradil elektronické řízení druhým světelným paprskem. K zesílení interakce použil tenkou vrstvu amorfního křemíku nanesenou na nanostrukturovaných sloupcích.
Tato metasurface zpomalila a nechala obíhat světlo procházející materiálem, což umožnilo odklonit sekundární sondovací paprsek až o 13 stupňů. Celý proces změny úhlu zabral pouhých 74 femtosekund (biliardtin sekundy).
Význam pro kvantové počítání a analýzu chemických reakcí
Schopnost manipulovat se světelnými impulsy v takto krátkých časových intervalech je zásadní pro celou řadu vědních oborů. V chemickém výzkumu umožňuje cíleně stimulovat konkrétní atomové přechody, a tím přímo řídit průběh chemických reakcí na molekulární úrovni.
Zároveň tyto pokroky otevírají nové možnosti pro vývoj ultrafastových kvantových počítačů fungujících na atomárních škálách a pro konstrukci vysoce přesných optických senzorů schopných zpracovávat obrovské množství dat bez závislosti na pomalejších elektronických prvcích.
Myslíte si, že optické technologie v budoucnu zcela nahradí klasické elektronické čipy v počítačích? Podělte se o svůj názor v diskusi.
