Kvantumoptika:
Hangolható fotonkristály – levegőből

A számítógépes csipek tervezőinek álma olyan integrált áramkör, amely fénnyel muködik. A fotonok az elektronoknál gyorsabban és hatékonyabban közvetíthetnék a jeleket a milliónyi tranzisztor, kapcsoló és esetleg mikrolézer között. A Torontói Egyetem kutatói eljárást dolgoztak ki olyan fotonkristály eloállítására, amelynek fényáteresztő képessége a rácson belül mikronról mikronra szabályozható, és amelynek “fényáramkörei” akár utólag is megváltoztathatók, ha a körülmények úgy kívánják.
Több mint egy évtizede kísérleteznek a fizikusok olyan fotonkristályok előállításával, amelyeknek a kristályrácsában a fotonok ahhoz hasonlóan terjedhetnek, mint az elektronok a félvezetőkben. A kvantumfizika a szilárd testek elektromos viselkedését az úgynevezett sávelmélettel értelmezi: eszerint az elektronok lehetséges energiaértékei a kristályokban sávokba rendeződnek. Az alsó, elektronokkal teljesen betöltött vegyértéksávot egy tiltott sáv választja el az úgynevezett vezetési sávtól, amelyben az elektromos vezetésben részt vevő, kvázi szabadon mozgó elektronok vannak. A fémekben a vezetési sáv egy része is be van töltve, ezért sok bennük a szabad töltéshordozó, míg a félvezetők és a szigetelők vezetési sávja üres.
A tiltott sáv létrejötte az elektron hullámtermészete alapján azzal magyarázható, hogy a periodikus kristályszerkezetet alkotó atomokon szóródó elektronhullámok bizonyos energiaértékeknél kioltják egymást. Mivel a fotonok szintén leírhatók részecskehullámként, elvileg számukra is készíthető olyan periodikus kristályszerkezet, amelyben a szórt fotonhullámok úgy interferálnak egymással, hogy bizonyos fotonenergiák tiltott sávba kerülnek. Ennek az a feltétele, hogy a rácsállandó a fény hullámhosszával összemérhető nagyságrendű legyen.

Inverz opál: a szilíciumvázba (zöld) ágyazott mikroszkopikus
légbuborékkristályban a határfelületeket bevonó
folyadékkristályra (aranysárga) adott feszültséggel
a fényáteresztőképesség pontról pontra vezérelhető

A fotonkristályok felhasználási lehetőségei szintén a félvezetőkkel való hasonlatosság alapján érthetők meg. Ismeretes, hogy a félvezetők tulajdonságai nagymértékben befolyásolhatók szennyezőatomok bevitelével. Ezeknek az a szerepük, hogy a tiltott sávban betölthető energiaszinteket hoznak létre, így ezeken a “lépcsokön” keresztül az elektronok a vegyértéksávból könnyebben juthatnak el a vezetési sávba. A fotonkristályokban hasonló szerepet tölthetnek be a különféle rácshibák, diszlokációk. A tökéletes fotonkristály a tiltott sávjába eső frekvenciájú fotonokat nem engedi át. De ha például az egyébként tökéletes fotonkristályba egy vonalhibát visznek be, akkor az már úgy működik, mint egy hullámvezető: a vonalhiba mentén az egyébként tiltott frekvenciájú fotonok is terjedhetnek. A hordozó síkjába épített rezonáns mikroüregek pedig (amelyek mintegy csapdába ejtik a fényt) mikroszkopikus kapcsolóként muködtethetők, és csatolást létesíthetnek az áramkör elemei között.
Csupán az utóbbi egy-két évben sikerült az első olyan fotonkristályokat elkészíteni, amelyek a látható fény hullámhosszán muködnek, ám Kurt Busch és Sajeev John, a Torontói Egyetem kutatói máris a következő lépésen dolgoznak: olyan hangolható fotonkristályt akarnak előállítani, amelyben a tiltott sáv helyzete és szélessége kívülről szabályozható. Az általuk előállított anyag, az úgynevezett inverz opál, valójában egy légbuborékokból álló kristály, amelynek teljes térfogatát 75 százalékban levegő tölti ki. A kutatók a buborékokat magába záró “váz” belső felületeit folyadékkristállyal vonták be, amelynek fényáteresztő képessége külső elektromos térrel szabályozható.
Számításaik szerint ebben a szerkezetben a tiltott sáv jellemzői bármely pontban az elektromos térerősség helyi értékével állíthatók be. Így olyan “integrált optikai kör” készíthető, amelyben az inverz opálkristály rácspontjaihoz (ugyanúgy, mint a laptop számítógépek képernyőjének képpontjaihoz) egy-egy vezeték kapcsolódik, amely helyi elektromos teret hoz létre. Ezek segítségével az optikai kör tulajdonságai bármikor megváltoztathatók, sőt, idővel a rendszer arra is képessé válhat, hogy “megtanulja”, egy adott feladathoz milyen konfiguráció a legmegfelelőbb. A torontói kutatók inverz opálkristálya, amely viszonylag egyszerűen gyártható, máris felkeltette a távközlési ipar szakértőinek figyelmét. Az egyre szélesebb körben használatos optikai üvegszálak ugyanis sokkal természetesebben illeszkednének optikai áramkörökhöz, mint a hagyományos elektronikához, ráadásul az ilyen rendszerek sávszélessége szintén nagyobb volna.

Forrás: Phys. Rev. Lett. 83, 967 (1999)

1999/38sz