Istraživači sa Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju (NIST) osmislili su fotonsko kolo na čipu koje transformiše jedan dolazni snop laserske svetlosti u mnoštvo novih zraka, od kojih svaki ima mnoštvo različitih optičkih svojstava.
Novogenerisani snopovi – koji zadržavaju frekvenciju originalnog snopa – istovremeno izlaze iz kola na različitim lokacijama duž čipa. To omogućava naučnicima i inženjerima da odaberu specifične karakteristike jednog ili više zraka potrebnih za određenu primenu.
Precizno oblikovanje i kontrola snopova vidljive svetlosti su kritični za dijagnostikovanje i proučavanje ljudskih bolesti, hvatanje atoma koji čine osnovu najtačnijih satova na svetu, kvantno računarstvo i mnoge druge tehnologije zasnovane na kvantima.
Međutim, za to je obično potrebna glomazna optika koja zauzima velike količine laboratorijskog prostora. Novi uređaj koji je dizajnirao NIST mogao bi na kraju eliminisati potrebu za takvom optikom i pomoći u minijaturizaciji najnovije generacije atomskih satova i drugih uređaja, dovodeći ih iz laboratorije na radno mesto. Male, prenosive verzije atomskih optičkih satova mogle bi dramatično da poboljšaju navigacione sisteme, posebno podvodne, gde GPS nije dostupan.
Većina metoda oblikovanja i vođenja svetlosti na čipu, uključujući i one koje koriste metapovršine, obično pretvaraju jedan svetlosni snop sa jednim skupom svojstava u drugi jedan svetlosni snop sa drugačijim skupom svojstava.
Nasuprot tome, „naš uređaj može da generiše veoma veliki broj oblikovanih zraka iz jednog ulaznog snopa“, rekao je istraživač NIST-a Griša Spektor. Višestruki laserski snopovi koji istovremeno bombarduju oblak atoma iz različitih pravaca su potrebni da bi se oblak uhvatio i ohladio kako bi se mogao koristiti kao osnova atomskog sata. Najnovija generacija optičkih atomskih satova, koja će verovatno postati novi međunarodni (SI) standard za definisanje drugog, obično zahteva šest laserskih zraka.
Istraživači, koji uključuju naučnike sa Univerziteta Stanford u Kaliforniji, Univerziteta Kolorado u Boulderu i Octave Photonics u Boulderu, opisali su svoj rad u onlajn izdanju časopisa Optica od 30. juna.
Kolo generiše ove zrake unutar ultratankog sloja tantal pentoksida debljine 150 nanometara (milijardinih delova metra), oko jedne stotine prečnika ljudskog crvenog krvnog zrnca. Tantal pentoksid, koji se često koristi u optičkim premazima, ima visok indeks prelamanja i skoro je savršeno providan.
Koristeći kompjuterske algoritme, Spektor i njegove kolege su utisnuli sloj tantal pentoksida sa uzorcima nalik švajcarskom siru prilagođenim da generišu više svetlosnih snopova, svaki sa različitim svojstvima. Pošto se fotonsko kolo sastoji od jednog sloja materijala, može se relativno lako proizvesti i po potrebi povećati na veće dimenzije, rekao je Spektor.
Laserski zrak ulazi u čip kroz kanal koji vodi svetlost na nekoliko različitih lokacija unutar čipa. Na svakoj lokaciji, svetlosni tok je podeljen na dva dela. Struktura tantal pentoksida daje različitu fazu – položaj svetlosnog talasa unutar njegovog ciklusa vrhova i dolina – svakom od tokova.
Pored toga, polarizacija svakog od dva podeljena toka — ravan u kojoj svetlosni talas vibrira — rotira se u odnosu na drugu za 90 stepeni. Dva toka se zatim rekombinuju i raspršuju na različite načine koji stvaraju izlazne svetlosne zrake sa praktično bilo kojom željenom fazom, polarizacijom, pravcem ili divergencijom.
Fizičarima je potrebno nekoliko širokih ili divergentnih snopova do oblaka atoma koji se koriste u atomskim satovima i drugim kvantnim tehnologijama. Divergentni snopovi nude još jednu prednost: mogu se generisati unutar malog dela čipa — manje od jedne desetine širine ljudske kose — što omogućava čipu da stvori mnogo blisko raspoređenih zraka. Mala količina nepokretnosti koja je potrebna za kreiranje snopova takođe ostavlja ostatak čipa slobodnim za obavljanje drugih zadataka i smeštaj dodatnih detektora ili elektronike koje može zahtevati određeni eksperiment ili aplikacija.
Rezultati testiranja tima pokazuju da bi uređaj sa čipom, kada se jednom usavrši, trebalo da bude u stanju da vodi, oblikuje i isporučuje praktično neograničen broj blisko raspoređenih svetlosnih snopova u različitim bojama vidljive svetlosti.
