Onderzoekers maken optische 'diode'

Het maken van een dergelijke module was een al decennia open staande uitdaging uitdaging, die verdraaid moeilijk oplosbaar was daar materialen licht gewoonlijk in het geheel niet, of in alle richtingen doorlaten. Tegelijkertijd was er de belofte dat een simpelwerkende 'licht-diode' enorm zou kunnen bijdragen aan de ontwikkeling van zeer efficient werkende optische 'chips', die van groot nut kunnen zijn voor de ontwikkeling van snelle en vooral energiezuinig werkende computers. (Computers waarin licht de rol overneemt van elektriciteit zullen vrijwel geen warmte ontwikkelen).

Optische loop

De onderzoekers slaagden in hun opzet door gebruik te maken van het feit dat licht (nauwelijks merkbaar, maar toch wel degelijk) een kracht uitoefend op de objecten waarop valt. De onderzoekers wisten deze kracht te versterken door licht dat via een glasvezel wordt aangeboden, tijdelijk op te sluiten in een nano-loop. In zo’n ring kan licht maar liefst 100.000 keer rondzingen, wat de kracht die het uitoefent op de wanden naar rato versterkt. Met als gevolg dat de ring een beetje uitzet. Vervolgens introduceerden de onderzoekers een tweede lichtgolf met een net iets andere kleur dan de eerste. Door de interferentie tussen beide lichtgolven gaat de ring trillen, maar alleen als de twee golven in dezelfde richting door de ring bewegen. Door het systeem zo in te richten dat de glasvezel het licht alleen doorlaat als de ring trilt, wordt licht uit de tegenovergestelde richting geblokkeerd.

De gedemonstreerde principes kunnen van groot belang zijn voor het in goede banen leiden van licht op optische chips. Modern dataverkeer vindt al voor een groot deel plaats in de vorm van licht. Het verwerken van informatie in optische circuits op chips heeft grote voordelen boven elektronische alternatieven, met name omdat licht veel minder energie gebruikt. Een tot nu toe ontbrekende component op deze optische chips is een zogenoemde isolator die golven in één richting doorlaat, maar in de andere richting blokkeert en daarmee controle uitoefent op het transport van signalen. Het gedemonstreerde experiment is een prototype-isolator in een heel compacte vorm, die bovendien actief met licht aan- en uitgeschakeld kan worden.

Kwantumcomputer

De onderzoekers vertaalden de waarnemingen in het laboratorium in een algemene theorie van  ‘optomechanische isolatie’. Deze theorie beschrijft en voorspelt dat implementatie van de eenrichtingsweg in allerlei verschillende systemen mogelijk is. Denk daarbij bijvoorbeeld aan het nog sneller verwerken van optische signalen. Bovendien laten de onderzoekers zien dat de isolator ook kan werken voor radiogolven, wat toepassing in toekomstige kwantumcomputers mogelijk maakt.

De onderzoekers publiceerden hun bevindingen in Nature Communications van op 29 november.