Kansainvälinen tutkimusryhmä on ensimmäistä kertaa suunnitellut toimivia fotonisia aikakiteitä. Ne ovat eräänlaisia erikoismateriaaleja, jotka vahvistavat valoa poikkeuksellisen tehokkaasti. Uutuuslöytö voi parantaa merkittävästi esimerkiksi lasereita, antureita ja optista tietojenkäsittelyä. Suomesta mukana olivat Aalto- ja Itä-Suomen yliopistot.

Aaltoyliopiston tulokset voivat avata  uusia mahdollisuuksia esimerkiksi viestinnän, kuvantamisen ja tunnistustekniikan aloilla. Läpimurto luo perustan tehokkaammille lasereille, antureille ja muille optisille laitteille

”Tutkimuksemme haastaa valon ja aineen vuorovaikutuksen hallinnan rajat, mikä voi mahdollistaa fotonisten aikakiteiden ensimmäisen kokeellisen toteutuksen ja edistää niiden käyttöä käytännön sovelluksissa: korkean hyötysuhteen valovahvistimista ja kehittyneistä antureista innovatiivisiin laserteknologioihin”, sanoo apulaisprofessori Viktar Asadchy Aalto-yliopistosta.

Aikakiteen esitteli ensimmäisenä Nobel-palkittu Frank Wilczek vuonna 2012. Toisin kuin perinteiset kiteet, joiden rakenteet toistuvat tilassa, fotoniset aikakiteet pysyvät yhtenäisinä tilassa, mutta värähtelevät jaksollisesti ajassa. Tämä aikakiteiden ainutlaatuinen ominaisuus luo tilan, jossa valo pysähtyy kiteen sisällä samalla kun sen voimakkuus kasvaa eksponentiaalisesti ajan myötä.

Valon vuorovaikutuksen erikoisuutta fotonisessa aikakiteessä voi yrittää ymmärtää kuvittelemalla, että valo kulkee väliaineessa, joka vaihtelee ilman ja veden välillä tuhansia biljoonia kertoja sekunnissa. Ilmiö haastaa tavanomaisen käsityksemme optiikasta.

Yksi fotonisten aikakiteiden mahdollinen sovellus on nanosensorit. ”Kuvitellaan, että haluamme havaita pienen hiukkasen, kuten esimerkiksi viruksen, jonkin saastuttavan aineen tai syövän biomarkkerin läsnäolon. Kun tällainen hiukkanen aktivoituu, se säteilee pienen määrän valoa tietyllä aallonpituudella. Fotoninen aikakide voi vangita tämän valon ja vahvistaa sitä automaattisesti, mikä mahdollistaa tehokkaamman havaitsemisen nykyisillä laitteilla”, Aalto-yliopiston Asadchy taustoittaa.

Näkyvän valon taajuudella toimivien fotonisten aikakiteiden kehittäminen on ollut pitkään haastavaa. Tähän mennessä edistyneimmät, saman ryhmän tekemät kokeelliset toteutukset ovat rajoittuneet paljon matalampiin taajuuksiin, kuten mikroaaltoihin. Nyt julkaistussa tutkimuksessaan ryhmä ehdottaa ensimmäistä käytännön lähestymistapaa ”aidosti optisten” fotonisten aikakiteiden aikaansaamiseksi. He ennustavat, että käyttämällä valon vahvistamiseen pientä piipallojen ryhmää voidaan vaadittavat erityisolosuhteet vihdoin saavuttaa myös laboratoriossa tunnettujen optisten tekniikoiden avulla.

Kansainväliseen tutkimusryhmään kuuluu jäseniä  Aalto-yliopistosta, Itä-Suomen yliopistosta, Karlsruhen teknillisestä instituutista ja Harbinin teknillisestä yliopistosta. Tutkimus julkaistiin äskettäin Nature Photonics -lehdessä. Nature Photonics: Expanding momentum bandgaps in photonic time crystals through resonances (LINKKI).

Kuva: Fotoniset aikakiteet ovat optisia materiaaleja, jotka vahvistavat valoa erittäin voimakkaasti. Kuvam näkemyksessä on rinnakkain useita atomeja tai energiakenttiä säteileviä palloja futuristisessa näkökulmassa. Kuva: Xuchen Wang.