La luz ofrece una forma insustituible de interactuar con nuestro universo. Puede viajar a través de distancias galácticas y colisionar con nuestra atmósfera, creando una lluvia de partículas que cuentan una historia de eventos astronómicos pasados. Aquí en la Tierra, controlar la luz nos permite enviar datos desdeun lado del planeta al otro.
Dada su amplia utilidad, no es de extrañar que la luz desempeñe un papel fundamental en la habilitación de 21 st Aplicaciones de información cuántica del siglo. Por ejemplo, los científicos usan luz láser para controlar con precisión los átomos, convirtiéndolos en medidas ultrasensibles de tiempo, aceleración e incluso gravedad. Actualmente, esta tecnología cuántica temprana está limitada por el tamaño: estado deLos sistemas de última generación no cabrían en la mesa de un comedor, y mucho menos en un chip. Para un uso práctico, los científicos e ingenieros necesitan miniaturizar los dispositivos cuánticos, lo que requiere repensar ciertos componentes para aprovechar la luz.
Ahora, el miembro de IQUIST, Gaurav Bahl, y su grupo de investigación han diseñado un circuito fotónico compacto y simple que utiliza ondas sonoras para controlar la luz. El nuevo estudio, publicado en la edición del 21 de octubre de la revista Fotónica de la naturaleza, demuestra una forma poderosa de aislar o controlar la direccionalidad de la luz. Las mediciones del equipo muestran que su enfoque de aislamiento supera actualmente a todas las alternativas anteriores en chip y está optimizado para la compatibilidad con sensores basados en átomos.
"Los átomos son las referencias perfectas en cualquier lugar de la naturaleza y proporcionan una base para muchas aplicaciones cuánticas", dijo Bahl, profesor de Ciencia e Ingeniería Mecánica MechSe en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. "Los láseres que utilizamospara controlar los átomos se necesitan aisladores que bloqueen reflejos indeseables. Pero hasta ahora, los aisladores que funcionan bien en experimentos a gran escala han resultado difíciles de miniaturizar ".
Incluso en las mejores circunstancias, la luz es difícil de controlar: se reflejará, absorberá y refractará cuando se encuentre con una superficie. Un espejo envía la luz de regreso, un fragmento de vidrio dobla la luz mientras la deja pasar,y las rocas oscuras absorben la luz y la convierten en calor. Esencialmente, la luz se dispersará con gusto en cualquier dirección de cualquier cosa a su paso. Este comportamiento difícil de manejar es la razón por la que incluso una pizca de luz es beneficiosa para ver en la oscuridad.
Controlar la luz dentro de grandes dispositivos cuánticos es normalmente una tarea ardua que involucra un vasto mar de espejos, lentes, fibras y más. La miniaturización requiere un enfoque diferente para muchos de estos componentes. En los últimos años, científicos e ingenieros han hechoavances significativos en el diseño de varios elementos de control de la luz en microchips. Pueden fabricar guías de ondas, que son canales para transportar la luz, e incluso pueden cambiar su color usando ciertos materiales. Pero forzar la luz, que está hecha de pequeños puntos llamados fotones, para moverse enuna dirección mientras se suprimen los reflejos hacia atrás indeseables es complicado.
"Un aislador es un dispositivo que permite que la luz pase ininterrumpidamente en una dirección y la bloquea completamente en la dirección opuesta", dijo el primer autor del estudio, Benjamin Sohn, un ex estudiante graduado e investigador postdoctoral en Mechse que ahora se encuentra en NIST, Boulder. "Esta unidireccionalidad no se puede lograr usando cualquier material dieléctrico común o vidrios, por lo que debemos ser un poco más innovadores. También queremos que el aislador funcione en longitudes de onda de luz sintonizadas con sensores atómicos, que pueden ser difíciles incluso en grandesescamas."
En experimentos típicos, la mejor herramienta para lograr la unidireccionalidad utiliza imanes. Por ejemplo, casi todos los láser tienen un aislador magneto-óptico que permite que la luz salga del láser pero evita que se desplace hacia atrás, lo que afectaría la funcionalidad del láser. Incluso los láseresse pueden miniaturizar, encoger los aisladores convencionales es problemático por dos razones. Primero, en dispositivos compactos, los campos magnéticos afectarían negativamente a los átomos cercanos. Segundo, incluso si hubiera una manera de evitar esto, los materiales que están dentro del aislador no funcionantambién en las escalas de longitud más pequeñas en un chip.
El equipo de Bahl demostró un nuevo aislador no magnético que resulta ser de diseño simple, utiliza materiales ópticos comunes y es fácilmente adaptable para diferentes longitudes de onda de luz.
"Queríamos diseñar un dispositivo que evitara naturalmente las pérdidas, y la mejor manera de hacerlo es hacer que la luz se propague a través de la nada. La 'nada' más simple que aún puede guiar a los fotones a lo largo de una ruta controlada es una guía de ondas, quees un componente muy básico en los circuitos fotónicos ", dijo Bahl.
En un sistema completo basado en átomos, la guía de ondas dirigiría la luz láser a través de una serie de elementos hacia una pequeña cámara que contiene átomos. Con esto en mente, el equipo ha optimizado su chip para su uso con luz de 780 nanómetros, que es la longitud de ondanecesario para configurar sensores comunes basados en rubidio.
Esa es solo la primera mitad del diseño porque para el aislamiento, la luz debe bloquearse simultáneamente en la dirección opuesta. Anteriormente, el equipo demostró que podían lanzar ondas sonoras en un circuito fotónico para romper el flujo simétrico de luz.En el nuevo estudio, el equipo convirtió esta idea en una demostración de un elemento de chip funcional.
El aislador fotónico completo contiene una guía de ondas y un resonador de anillo adyacente, que parece una pista de carreras oblonga. Normalmente, la luz entrante simplemente pasaría de la guía de ondas al resonador, independientemente de su dirección, bloqueando así todo el flujo de luz. Pero cuando elEl equipo aplicó ondas de sonido al anillo, el resonador solo capturó la luz que se movía hacia atrás a través de la guía de ondas. En la dirección de avance, la luz pasaba a través de la guía de ondas sin obstáculos, como si el resonador simplemente no estuviera allí.
Las mediciones del equipo revelaron que casi todos los fotones se mueven a través de la guía de ondas en la dirección de avance, mientras que tienen solo una posibilidad entre diez mil de hacerlo hacia atrás. Esto significa que el diseño redujo las pérdidas, o la absorción de luz no deseada, paracasi cero, lo que ha sido un problema de larga data con los aisladores en chip anteriores. Los datos muestran que los nuevos dispositivos exhiben un rendimiento récord para el aislamiento en el chip y funcionan tan bien como los dispositivos más grandes basados en imanes. Además,el enfoque es flexible y se puede utilizar para múltiples longitudes de onda sin cambiar el material de partida.
"La simplicidad en la fabricación es clave: con nuestro enfoque, podría imprimir aisladores fotónicos que funcionen bien para cualquier longitud de onda que necesite, todo en el mismo chip al mismo tiempo. Esto simplemente no es posible con otros enfoques en la actualidad".dijo el coautor Ogulcan Orsel, estudiante de posgrado en Ingeniería Eléctrica de la U de I.
Esto podría hacer que el nuevo diseño sea útil para otras aplicaciones, como la computación cuántica, donde los campos magnéticos dispersos e incontrolados, así como la luz no deseada, pueden erosionar el rendimiento general del dispositivo.
El trabajo fue apoyado por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa DARPA, la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea AFOSR, la Fundación Nacional de Ciencias NSF y la Oficina de Investigación Naval ONR.
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