Φυσικοί στο Πανεπιστήμιο του Πεκίνου ανακάλυψαν έναν νέο τρόπο να περιορίζουν το φως πολύ πέρα από τα συμβατικά όρια — χωρίς να βασίζονται σε μέταλλα και τη σύμφυτη απώλεια ενέργειάς τους. Διατυπώνοντας την εξίσωση μοναδικής διασποράς, η ομάδα ανακάλυψε κυματοσυναρτήσεις σε σχήμα ναρβάλ (μονόκερου της θάλασσας) που παγιδεύουν το φως σε όγκους βαθιά υπο-μήκους κύματος, μέσα σε αμιγώς διηλεκτρικά υλικά.
Η πρόοδος αυτή, η οποία ονομάστηκε singulonics (σινγκουλονική), θα μπορούσε να ανοίξει τον δρόμο για εξαιρετικά αποδοτικά φωτονικά τσιπ, νέες κβαντικές τεχνολογίες και εργαλεία απεικόνισης με πρωτοφανή ανάλυση. Για δεκαετίες, η σμίκρυνση των φωτονικών συσκευών ήταν πολύ πιο δύσκολη από τη μικρογραφία των ηλεκτρονικών εξαρτημάτων.
Η πρόκληση ανάγεται στη φυσική. Το φως δεν μπορεί εύκολα να περιοριστεί σε εξαιρετικά μικρούς χώρους, επειδή η αρχή της αβεβαιότητας συνδέει τον περιορισμό του με το μήκος κύματός του.
Στο ορατό και το εγγύς υπέρυθρο φως, αυτό το μήκος κύματος μπορεί να είναι έως και χίλιες φορές μεγαλύτερο από το μήκος κύματος de Broglie που χρησιμοποιείται στα ηλεκτρονικά κυκλώματα. Ως αποτέλεσμα, τα φωτονικά τσιπ παρέμεναν σχετικά ογκώδη και τα συστήματα οπτικής απεικόνισης αντιμετώπιζαν αυστηρά όρια ανάλυσης.
Το Φυσικό Όριο: Γιατί τα φωτονικά τσιπ παρέμεναν ογκώδη
Οι επιστήμονες είχαν διερευνήσει προηγουμένως την πλασμονική ως μια πιθανή εναλλακτική λύση. Η προσέγγιση αυτή χρησιμοποιεί μέταλλα για να συμπιέσει το φως σε χώρους μικρότερους από το μήκος κύματός του. Ωστόσο, τα μέταλλα παράγουν σημαντική θερμότητα λόγω της απώλειας ενέργειας, δημιουργώντας ένα σημαντικό εμπόδιο για αποδοτικές και κλιμακώσιμες φωτονικές τεχνολογίες.
Το 2024, ερευνητές με επικεφαλής τον Ren-Min Ma στο Πανεπιστήμιο του Πεκίνου στην Κίνα παρουσίασαν μια σημαντική ανακάλυψη [Nature 632, 287-293 (2024)]. Η ομάδα ανέπτυξε αυτό που ονομάζει εξίσωση μοναδικής διασποράς, ένα νέο θεωρητικό πλαίσιο που δείχνει ότι το φως μπορεί να περιοριστεί σε εξαιρετικά μικρές κλίμακες χρησιμοποιώντας διηλεκτρικά υλικά χωρίς απώλειες αντί για μέταλλα.
Επειδή η μέθοδος βασίζεται εξ ολοκλήρου σε διηλεκτρικά υλικά, αποφεύγει τις απώλειες θερμότητας που περιόριζαν τα πλασμονικά συστήματα και θα μπορούσε να βοηθήσει στην προετοιμασία του δρόμου για συμπαγείς, ενεργειακά αποδοτικές φωτονικές συσκευές.
