Představte si atletickou dráhu složenou do velikosti mince. Tato představa, jakkoli se může zdát absurdní, věrně popisuje to, co se skupině výzkumníků z Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) podařilo s laserem: srolovat 42 centimetrů dlouhou optickou dutinu do plochy srovnatelné s hlavičkou zápalky.
Tým vedený fyzikem Tobiasem Kippenbergem zveřejnil své výsledky v časopise Nature a odborníci na integrovanou fotoniku již hovoří o dlouho očekávaném milníku.
Čím je toto zařízení tak výjimečné?
Čip generuje světelné impulsy o délce pouhých 147 femtosekund. Femtosekunda je jedna miliardtina sekundy, tj. 0,000000000000001 sekundy. Pro představu, co to znamená, stačí poměr: 147 femtosekund je k jedné sekundě v takovém poměru, v jakém je jedna sekunda k přibližně 216 000 letům. Během tohoto letmého záblesku světlo urazí přibližně 44 mikrometrů, což je vzdálenost menší než tloušťka lidského vlasu. V praxi se jedná o ultrarychlé kamery schopné zachytit jevy na molekulární úrovni: vibrace atomů, vznik chemických vazeb a posun elektrických nábojů.
Z optického stolu do kapsy
Lasery produkující takové ultrakrátké pulzy nejsou žádnou novinkou. Již desítky let se používají ve vysoce přesné oční chirurgii, při výrobě mikroskopických součástek a především při výrobě tzv. optických frekvenčních hřebenů, což je technologie oceněná Nobelovou cenou, která je základem nejpřesnějších atomových hodin, jaké kdy byly sestrojeny. Problém byl vždy stejný: tyto systémy zabírají celé optické stoly plné zrcadel, vláken a prvků seřízených s milimetrovou přesností a jejich cena je omezuje na specializované laboratoře.
Fotonické čipy, obvody, které přenášejí světlo místo elektronů mikroskopickými kanály vyleptanými na destičkách, již umožnily zmenšit mnoho optických funkcí na několik milimetrů čtverečních. Ultrarychlé lasery však miniaturizaci odolávaly. Kippenberg a jeho tým tuto překážku překonali tím, že se obrátili k modelu zvaného Mamyševův oscilátor, což je typ optického laseru speciálně navržený pro generování ultrakrátkých pulzů. Tato myšlenka byla navržena již před lety, ale v integrované fotonice nebyla téměř vůbec zkoumána. Výsledek byl ohromující: zařízení dosahuje energií vyšších než nanojoule, což je výkon, který dosud nabízely pouze mnohem objemnější stolní systémy.
Hromadná výroba jako mikroprocesory
Možná nejpřevratnějším aspektem tohoto průlomu není rychlost laseru, ale způsob, jakým by mohl být vyroben. Autoři studie poukazují na to, že by bylo možné vyrobit více než tisíc laserových dutin současně na jediném plátku, a to pomocí průmyslových procesů podobných těm, které se používají při výrobě polovodičů. Pokud by se to podařilo, náklady na takové systémy by prudce klesly.
Řada aplikací od atmosféry po vesmír
Rychlost světla mění jedinou vteřinu ve věčnost: za dobu, kterou trvá mrknutí, by světelný paprsek několikrát obkroužil Zemi. Práce na tak malých časových úsecích otevírá dveře daleko za hranice laboratoře. Miniaturní ultrarychlé lasery by se mohly používat k detekci atmosférických znečišťujících látek, identifikaci chemických molekul, analýze materiálů nebo kontrole neviditelných vad průmyslových součástí.
Odborníci také poukazují na budoucí generace přenosných lékařských přístrojů. Nejambicióznějším využitím je však pravděpodobně miniaturizace optických atomových hodin. Tyto přístroje jsou tak přesné, že by za miliardy let ztratily méně než jednu sekundu, a jsou základem kritických technologií, jako je satelitní navigace, pokročilé telekomunikace a mnoho základních výzkumných prací ve fyzice. Dnes zabírají celé laboratoře. Zítra by se díky pokrokům, jako je ten na EPFL, mohly některé jejich funkce vejít do zařízení o velikosti mobilního telefonu.