Zacznijmy jednak od krótkiej lekcji historii. Od dekad fizycy zmagali się z fundamentalnym problemem miniaturyzacji urządzeń wykorzystujących światło. W przeciwieństwie do elektronów, które można stosunkowo łatwo kontrolować w mikroskopijnych obwodach elektronicznych, fale świetlne są ograniczone przez długość swojej fali. To właśnie dlatego klasyczne układy fotoniczne pozostają znacznie większe od nowoczesnych procesorów elektronicznych. Granica ta była uznawana za jedno z najważniejszych ograniczeń rozwoju fotoniki i optyki nowej generacji.
Czytaj też: Fizycy dostrzegli dziwny efekt kwantowy. Atomy zaczęły obracać się w niewłaściwą stronę
W przeszłości naukowcy próbowali obejść ten problem dzięki plazmonice, czyli technologii wykorzystującej metale do ściskania światła poniżej granicy dyfrakcyjnej. Rozwiązanie to miało jednak poważną wadę – ogromne straty energii w postaci ciepła. Metaliczne układy szybko się nagrzewały, co ograniczało ich praktyczne zastosowanie w zaawansowanej elektronice i komunikacji optycznej.
Przełom nastąpił w 2024 roku, kiedy zespół kierowany przez Ren-Mina Ma opracował równanie osobliwej dyspersji. Nowa teoria pokazała, iż światło można zamknąć w ekstremalnie małych przestrzeniach bez używania metali, a więc bez problemu strat energii. Badacze wykorzystali do tego dielektryki, czyli materiały nieprzewodzące prądu, które wcześniej nie były kojarzone z możliwością aż tak silnego kontrolowania światła.
Teraz ten sam zespół odkrył, że za niezwykłym zjawiskiem stoją zupełnie nowe struktury falowe, wspomniane fale narwala. Ich nazwa nawiązuje do charakterystycznego wyglądu rozkładu pola elektromagnetycznego, przypominającego spiralny kieł narwala. Fale te łączą dwa pozornie sprzeczne zjawiska: gwałtowne wzmacnianie pola elektromagnetycznego w pobliżu punktu osobliwego oraz bardzo szybki zanik energii wraz z odległością. Dzięki temu światło może zostać skupione i ściśnięte do rozmiarów daleko wykraczających poza wcześniejsze ograniczenia.
Badacze zbudowali także eksperymentalny rezonator dielektryczny nowego typu, który pozwolił potwierdzić tę teorię w praktyce. Urządzenie osiągnęło rekordowo małą objętość modu świetlnego wynoszącą zaledwie 5 × 10⁻⁷ λ³. To jeden z najbardziej ekstremalnych poziomów koncentracji światła, jakie kiedykolwiek udało się uzyskać bez użycia struktur metalicznych.
Czytaj też: Te hybrydowe cząstki przeniosą nas na skraj możliwości fizyki. Świat jutra może zmienić się nie do poznania
Na tym autorzy nie skończyli. Stworzyli nowy rodzaj mikroskopu optycznego, który osiągnął rozdzielczość pozwalającą na obserwowanie struktur tysiąc razy mniejszych od długości używanej fali świetlnej. W trakcie eksperymentów naukowcom udało się zobrazować mikroskopijne wzory ukryte znacznie poniżej klasycznej granicy dyfrakcyjnej. Nie dziwi więc fakt, iż pokusili się o odważne zapowiedzi. Jak twierdzą, ich odkrycie zapoczątkować narodziny całkowicie nowej dziedziny nanofotoniki nazwanej singuloniką. Ta mogłaby znaleźć zastosowanie w ultraszybkich komputerach optycznych, komunikacji kwantowej, nowoczesnych sensorach oraz obrazowaniu medycznym o niespotykanej dotąd dokładności. Możliwość kontrolowania światła bez strat energii jest bowiem jednym z kluczowych wyzwań przyszłej elektroniki i informatyki.
Źródło: Eureka Alert, eLight
