W praktyce takie osiągnięcie powinno się za jakiś czas przełożyć na powstanie znacznie bardziej energooszczędnych układów obliczeniowych i niezwykle czułych systemów pomiarowych. Autorzy tych rewelacji, będący przedstawicielami kilku niemieckich instytutów badawczych, piszą o swoich dokonaniach na łamach Optica.
Czytaj też: Stuletnie przekonanie trafiło do kosza. Najtwardszy materiał świata skrywa sekret
Jak się okazuje, inspiracją dla eksperymentu były naturalne zjawiska związane ze zmianą stanu skupienia. Gdy lawa wypływająca z wulkanu stygnie, zamienia się w skałę, a zimą powierzchnia jezior pokrywa się lodem. W obu przypadkach materiał przechodzi ze stanu ciekłego do stałego, a jednocześnie zmieniają się jego właściwości fizyczne, takie jak gęstość czy współczynnik załamania światła. To właśnie te zmiany wpływają na sposób rozchodzenia się światła oraz fal dźwiękowych.
Podobne procesy od dawna przydają się podczas produkcji światłowodów. W klasycznej technologii rozgrzane szklane preformy są rozciągane do postaci cienkich włókien zdolnych do przesyłania światła na ogromne odległości. Dzięki temu światłowody stały się podstawą współczesnej telekomunikacji i internetu. Na przestrzeni lat powstało również wiele bardziej wyspecjalizowanych odmian światłowodów. Jednym z takich rozwiązań są światłowody z pustym lub ciekłym rdzeniem, które można wypełnić gazami bądź cieczami. Znajdują one zastosowanie między innymi jako miniaturowe laboratoria chemiczne, czujniki temperatury czy elementy zaawansowanych laserów i endoskopów.
Naukowcy postanowili sprawdzić, co stanie się, jeśli ciecz znajdująca się wewnątrz takiego światłowodu zostanie całkowicie zamrożona. W tym celu wykorzystali ciekły azot o temperaturze około minus 196 stopni Celsjusza. Podczas eksperymentu ciekły rdzeń przeszedł w stan stały, jednak ku zaskoczeniu badaczy światłowód nie utracił swojej podstawowej funkcji. Nadal skutecznie prowadził światło, a jednocześnie zarówno część ciekła, jak i zamrożona umożliwiały propagację fal akustycznych o bardzo wysokich częstotliwościach.
Uczeni zwrócili uwagę na wyjątkowo silne sprzężenie światła z dźwiękiem. Zjawisko to, znane jako rozpraszanie Brillouina-Mandelstama, od dawna występuje również w tradycyjnych światłowodach. W nowej konstrukcji wskoczyło ono jednak na zupełnie nowy poziom. Dzięki zamrożeniu rdzenia badaczom udało się stworzyć niezwykle gęste i silnie ograniczone środowisko, w którym oddziaływanie obu rodzajów fal wzrosło ponad tysiąckrotnie w porównaniu ze standardowymi światłowodami szklanymi.
Czytaj też: Najmocniejsze materiały zwykle pękają. Ten złamał starą zasadę
Tak silna interakcja umożliwiła stworzenie optoakustycznej pamięci, czyli elementu pozwalającego tymczasowo przechowywać informacje. Mechanizm jego działania opiera się na ogromnej różnicy prędkości pomiędzy światłem a dźwiękiem. Informację najpierw przenosi bardzo szybki impuls świetlny, a następnie “przejmują” ją znacznie wolniejsze fale akustyczne. Później, po krótkim czasie, informacja może zostać ponownie zamieniona na sygnał optyczny. Takie rozwiązanie pozwala kontrolować przepływ danych w układach fotonicznych przy znacznie mniejszym zużyciu energii.
Źródło: Optica
