Forscher der Heriot-Watt University haben eine Entdeckung gemacht, die den Weg für eine transformative Ära in der photonischen Technologie ebnen könnte. Seit Jahrzehnten haben Wissenschaftler die Möglichkeit der Manipulation der optischen Eigenschaften des Lichts durch Hinzufügen einer neuen Dimension theoretisiert. Dieses einst-isolierte Konzept ist nun dank Nanophotonik-Experten der School of Engineering and Physical Sciences in Edinburgh, Schottland, Wirklichkeit geworden.
Veröffentlicht In Naturphotonik Der Durchbruch des Teams ergab sich aus Experimenten mit Nanomaterialien, die als transparente leitende Oxide (TCOs) bekannt sind – ein spezielles Glas, das in der Lage ist, die Art und Weise zu ändern, wie sich das Licht durch das Material mit unglaubliche Geschwindigkeiten bewegt. Diese Verbindungen sind in Sonnenkollektoren und Touchscreens weit verbreitet und können als ultradünne Filme mit nur 250 Nanometern (0,00025 mm) geformt werden, die kleiner als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts sind.
Unter der Leitung von Dr. Marcello Ferrera, stellvertretender Professor für Nanophotonik des Heroiot-Watt-Forschungsteams, unterstützt von Kollegen der Purdue University in den USA, die Art und Weise, wie TCOs das Material mit ultraschnellen Lichtpulsen reagieren. Bemerkenswerterweise konnte die resultierende zeitlich konstruierte Schicht gleichzeitig die Richtung und Energie einzelner Lichtpartikel steuern, die als Photonen bezeichnet wurden, eine Funktionalität, die bisher unerreichbar war.
Die Entdeckung ist direkt mit der Möglichkeit der Verarbeitung von Daten mit einer weitaus höheren Geschwindigkeit und dem derzeit verfügbaren Volumen verbunden. Es wird erwartet, dass es in mehreren Schlüsselbereichen transformative Auswirkungen hat, wie z. B. optisches Computing und KI, integrierte Quantentechnologien und ultraschnelle Physik.
„Es ist schwierig, die Fortschritte zu erfassen, die wir in unserem täglichen Leben durch diesen Durchbruch erleben werden“, erklärt Dr. Ferrera.
„Durch die Verwendung eines nichtlinearen Materials, um die optische Bandbreite vollständig auszunutzen, können Unternehmen und große Organisationen so viel mehr Informationen verarbeiten. Dies wird unter anderem große Vorteile wie Rechenzentren und die Förderung der KI -Technologie haben, und werden aufregende neue Technologien zu diesem Zeitpunkt nicht vollständig verstehen.“
Dr. Ferrera kommentiert weiter die potenziellen zukünftigen Verwendungszwecke, die sich aus dieser Untersuchung ergeben, und sagt: „Die Gesellschaft ist durstig nach Bandbreite. Wenn wir ein virtuelles Treffen mit einer vollständig eindringlichen 3D-Erfahrung machen möchten, würde dies eine enorme Rechenleistung erfordern, und die Verarbeitungsgeschwindigkeit, die nur Ultra-STOPTICAL-FALTISCHE BESTELLUNGEN ANGEBOTEN. Die Überwachung. Durch mehreren Aufgaben können Sie mit mehr. Bruchteil der aktuellen Energieverbrauch.
„Wissenschaft und Technologie versuchen das menschliche Gehirn zu emulieren, aber durch die Verwendung elektronischer Hardware. Die Materialien, an denen wir arbeiten, sind die Zutaten für dieses Ziel, die den Energieverbrauch dieser Recheneinheiten senken, die Kosten senken und die Verarbeitungsleistung erhöhen können.“
Dr. Wallace Jaffray, ein Postdoktorand, und Sven Stengel, eine Doktorandin, haben mit Dr. Ferrera an der Heriot-Watt University zusammen mit Dr. Ferrera gearbeitet.
Der Kern ihres Durchbruchs liegt in der Fähigkeit, TCOs zu manipulieren, um die Geschwindigkeit zu steuern, mit der Photonen reisen. Diese neu entdeckte Kapazität fügt effektiv eine „vierte Dimension“ hinzu, die außergewöhnliche Lichttransformationen, einschließlich Verstärkung, der Erstellung von Quantenzuständen und neuen Formen der Lichtkontrolle, ermöglicht.
Dr. Ferrera fährt fort: „Die Suche nach einem Material, das sich unter einer geringen Energiebeleuchtung drastisch ändern kann, war seit der Erfindung des Lasers die Suche nach dem heiligen Gral in all-optischen Technologien.
„Diese neue Klasse zeitlich variierender Medien ist der größte Sprung nach vorne zu dem perfekten optisch kontrollierbaren Material seit Jahrzehnten, das eine Vielzahl neuartiger und aufregender Effekte ermöglicht, die Wissenschaftler auf der ganzen Welt versuchen können. Dies ist ein neues Zeitalter in nichtlinearer Optik, das die volle Lichtkontrolle ohne die Notwendigkeit von langsamen elektrischen Signalen abzielt.“
Vladimir M. Shalaev, ein angesehener Professor für Elektro- und Computertechnik an der Purdue University, der an der Forschung assistierte: „Diese transparenten Leiter mit niedrigem Index haben eine echte Revolution auf dem Gebiet der integrierten nichtlinearen nichtlinearen Optik für die effektiven und energieewirksamen Manipulation optischer Unterschriften auf beispiellosen Zeitspeisen gebracht.“
Alexandra Boltasseva, ein angesehener Professor für Elektro- und Computertechnik an der Purdue University, fügt hinzu: „Unsere gemeinsamen Forschungsbemühungen zeigen, dass wir mit diesen Materialien endlich die Zeitvariable für die Entwicklung der optischen Eigenschaften von Verbindungen verwenden können, die über die derzeit möglichen Standardherstellungsprozesse hinausgehen.“
Weitere Informationen:
Wallace Jaffray et al., Spatio-spektrale optische Spaltung in zeitlich variierenden Unterwellenlängenschichten, Naturphotonik (2025). Doi: 10.1038/s41566-025-01640-1