Elektronların modası geçti; onlar 20.yüzyılda kaldı. 21.yüzyılda büyük miktarda bilgiyi hızlı biçimde taşımak için ışık kullanan fotonik aygıtlar, yaşamımızın her noktasına yayılmış durumda olan elektronik aygıtların gelişmesini sağlayacak; hatta belki bütünüyle onların yerini alacak. Ancak optik bağlantıların iletişim sistemleri ve bilgisayarlarla tümleşik duruma getirilmesinden önce atılması gereken bir adım var. Nano ölçekte ışık manipülasyonunun kolaylaştırılması gerek.

İşte, Harvard John A. Paulson Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Okulu'ndan (SEAS) araştırmacılar geçtiğimiz günlerde kırılma indisi sıfır olan bir çip-üstü meta-malzeme tasarlayarak, tam olarak bunu başardı. Kırılma indisinin sıfır olması, ışığın faz hızının sonsuz olacağı anlamına geliyor. Prof. Eric Mazur'un laboratuvarında geliştirilen bu yeni meta-malzemeye ilişkin ayrıntılar Nature Photonics dergisinde yayımlanan makale ile paylaşıldı.

“Tipik olarak ışık sıkıştırılmayı ya da manipüle edimeyi hiç sevmez. Ama bu meta-malzeme ışığı bir çipten diğerine yönlendirmenizi, sıkıştırmanızı, eğmenizi, bükmenizi ve ışın demetinin çapını makro ölçekten nano ölçeğe düşürmenizi mümkün kılıyor. Işığı manipüle etmek için bu yepyeni bir yöntem,” diyor Mazur.

Sonsuz hız her ne kadar kulağa görelilik yasasına aykırı gibi gelse de, öyle değil. Evrende hiçbir şey bilgi taşıyan ışıktan daha hızlı gidemez. Einstein bu konuda haklı. Fakat ışığa ilişkin sözü edilen bir başka hız kavramı daha vardır: Faz hızı. Bu terim bir dalgaboyunun dalga tepelerinin ne hızda ilerlediğini ifade eder ve ışığın içinden geçmekte olduğu malzemeye bağlı olarak değişir.

Örneğin ışık sudan geçerken, dalgaboyları birbirlerine doğru bastırıldıkları için faz hızı düşer. Sudan çıktığında dalgaboyları uzar ve faz hızı yine artar. Işık dalgasının dalga tepelerinin bir malzemede ne kadar yavaşladığı ise kırılma indisi adı verilen oranla belirtilir. Bu indis ne kadar yüksekse, malzeme ışığın dalga tepelerinin yayılımına o kadar etki ediyor demektir. Kırılma indisi sıfıra düşürüldüğünde ise gerçekten de garip ve ilginç şeyler olmaya başlar.

Sıfır kırılma indisli ortamda faz ilerlemesi yoktur. Yani ışık artık hareket eden bir dalga (uzayda giden bir dizi tepe ve çukur) gibi davranmaz. Sıfır indisli malzeme sabit bir faz yaratır (hepsi tepe veya hepsi çukur) ve sonsuz uzunlukta dalgaboyuna esnetir. Çukurlar ve tepeler sadece zamana bağlı olarak salınır; uzaya değil.

Bu tekdüze faz, ışığın enerji kaybı olmadan esnetilip sıkıştırılmasına ve çevrilip bükülmesine izin verir. Bir çip üzerine yerleştirilen sıfır kırılma indisli malzemenin özellikle kuantum bilgisayar dünyasında heyecan verici uygulamaları olabileceğini tahmin etmek güç değil.

“Tümleşik fotonik devrelere köstek olan şey, standart silikon dalga kılavuzlarındaki (frekans yönlendiricilerdeki) zayıf ve verimsiz optik enerji sınırlaması. Bu sıfır indisli meta-malzeme, farklı dalga kılavuzu düzenlemelerindeki elektromanyetik enerji sınırlaması için bir çözüm ortaya koyuyor; çünkü malzemenin düzenlenişinden bağımsız olarak, yüksek içsel faz hızı kayıpsız iletim sağlıyor,” diyor Mazur'un ekibinden doktora sonrası araştırmacısı Yang Li. Sözü geçen meta-malzeme, bir polimer matris içine gömülen silikon sütun dizilerinin altın filmle kaplanması ile üretiliyor. Malzeme silikon dalga kılavuzları ile çiftlenerek, standart tümleşik fotonik bileşen ve çipler için arayüz görevi görebiliyor.

Mazur'un ekibinden lisansüstü öğrencisi Philip Munoz şöyle anlatıyor: “Kuantum optikte faz ilerlemesinin yokluğu, sıfır indisli oyuktaki veya dalga kılavuzundaki kuantum yayımlayıcıların her zaman birbirleri ile aynı fazda fotonlar yaymasına izin veriyor. Ayrıca ışık dalgaları sonsuz uzunlukta olduğundan, çok uzak parçacıkların bile dolaşıklaşmasını sağlayacak biçimde kuantum bitler arasındaki dolaşıklığı arttırabilir.” Ekip lideri Mazur da “Bu çip-üstü meta-malzeme sıfır kırılma indis fiziğinin araştırılmasına ve tümleşik optikteki uygulamalarının geliştirilmesine kapı açacak,” diye ekliyor.

 

---

Kaynak: Phys.org, "To infinity and beyond: Light goes infinitely fast with new on-chip material" < http://phys.org/news/2015-10-infinity-infinitely-fast-on-chip-material.html >
Referans: On-chip zero-index metamaterials, Nature Photonics, DOI: 10.1038/nphoton.2015.198 < http://dx.doi.org/10.1038/nphoton.2015.198 >

---