Dalam pakej kajian baru-baru, ahli fizik di Chalmers University of Technology di Sweden telah mengenal pasti mengapa teknologi berasaskan cahaya tertakluk kepada "had laju" yang menjadikannya tidak mungkin untuk menukar suis optik untuk menghantar maklumat melebihi kelajuan tertentu.
Dalam usaha untuk membuat teknologi lebih cekap, jurutera telah meneroka cara untuk menggunakan cahaya, bukan elektrik, untuk mewakili dan mengangkut maklumat.
Walaupun elektronik telah membolehkan penciptaan komputer yang sangat berkuasa, kami mula mendapati bahawa terdapat batasan untuk menggunakan elektrik sebagai asas teknologi kami. Itu adalah untuk mengatakan bahawa kita hanya boleh membuat microchip kami begitu kecil, dan terdapat batasan pada kelajuan yang wayar logam boleh menghantar maklumat.
Komputer optik - atau komputer yang menggunakan foton dan bukan elektron - menawarkan alternatif yang menggalakkan. Ada yang percaya bahawa teknologi optik adalah masa depan. Mereka boleh jauh lebih cepat, lebih cekap tenaga, dan bahkan menyimpan lebih banyak maklumat.
Untuk membuat impian ini menjadi realiti, bagaimanapun, jurutera optik mesti mencari jalan untuk mengatasi batasan kawalan cahaya.
Semua teknologi yang memproses cahaya, dari paparan visual pada telefon bimbit dan televisyen ke kabel optik, memerlukan penggunaan suis optik. Suis optik digunakan untuk menukar warna atau intensiti maklumat berkomunikasi cahaya pada kadar yang tinggi - sehingga 100 bilion kali dalam satu saat dalam trafik internet.
Walaupun ini tidak dapat dinafikan cepat, ia masih tidak cukup pantas untuk bersaing dengan transistor elektronik tradisional.
"Pada masa ini, maklumat pengangkutan kabel optik di jarak yang jauh, tetapi pemprosesan maklumat masih dilakukan dengan menukar cahaya kepada isyarat elektronik yang diproses oleh transistor elektronik," kata Sophie Viaene, penyelidik nanophotonik di Jabatan Fizik di Chalmers dan pengarang utama kajian.
"Harapannya ialah, jika suis optik menjadi cepat, cekap tenaga, dan padat sebagai transistor elektronik, maklumat boleh diangkut dan diproses tanpa perlu menukar kepada isyarat elektrik."
Dalam usaha untuk mengatasi had laju ini, jurutera optikal baru-baru ini telah membangunkan bahan khusus buatan yang dikenali sebagai metamaterial optomekanik. Bahan-bahan khas ini direka untuk mengatasi batasan yang bahan-bahan semula jadi tertakluk.
"Metasurface optomekanik terdiri daripada banyak elemen elastik yang konfigurasi mekanikal menentukan bagaimana cahaya diproses," kata Viaene.
"Sifat-sifat seperti permukaan metalik boleh dikendalikan dengan rasuk optik luaran, yang menimbulkan daya optik yang mengubah konfigurasi unsur-unsur di permukaan. Secara khususnya, dengan menukar kuasa pancaran optik, metasurface mengalami daya optik yang berbeza dan beralih dari satu negeri ke yang lain. Oleh kerana balok optik adalah gelombang dengan frekuensi ayunan yang tinggi, penyelidik berharap menggunakan metasurfaces optomekanik untuk beralih cepat. "
Walaupun harapan yang tinggi, metamaterial optomekanik masih tidak dapat melanggar had laju ini, dan belum mengatasi teknologi berasaskan elektron yang sedia ada.
"Ternyata pemancaran pantas tidak mungkin, kerana interaksi antara elemen anjal dan pancaran optik adalah tidak linear, supaya untuk konfigurasi tertentu sistem sangat lambat," lanjut Viaene.
Viaene berusaha memahami persis mengapa suis optik, walaupun berdasarkan metamaterial optomekanik, tidak dapat melampaui batas kelajuan ini. Untuk berbuat demikian, Viaene memeriksa dinamik tak linear unsur metasurface di bawah pengaruh daya optik.
Untuk menentukan kelajuan suis optik, seseorang perlu tahu berapa cepat elemen elastik di permukaan metasurface dari satu konfigurasi ke yang lain. Dalam kes ini, daya pada elemen anjal sangat ditentukan oleh konfigurasi unsur. Dalam erti kata lain, dinamik antara elemen anjal dan rasuk optik adalah tidak linear.
Para penyelidik mendapati bahawa dinamik bukan linear, yang membawa kepada fenomena aneh seperti kelembapan kritikal untuk konfigurasi yang berkaitan dengan kuasa rendah, memainkan peranan penting dalam mengehadkan kelajuan suis optomekanikal.
Mereka menarik dua kesimpulan utama.
"Pertama, suis optik menderita daripada perlambatan kritikal dalam rejim yang dianggap baik untuk beralih," kata Viaene.
"Kedua, terdapat had kelajuan asas yang digunakan untuk semua frekuensi rasuk optik, yang menghalang metasurahan dari menjadi lebih cepat daripada kelajuan peralihan transistor elektronik."
Secara berkesan, ini bermakna bahawa seperti yang dirancang sekarang, metasurfaces optomekanikal tidak akan banyak digunakan untuk suis berkelajuan tinggi. Mereka hanya tidak mampu melepasi batas kelajuan ini.
Walaupun ini tidak baik untuk orang-orang yang berharap untuk suatu hari melihat komputer optik menjadi kenyataan, ini tidak bermakna optimechanical metasurfaces tidak berguna sepenuhnya.
Viaene mengatakan bahawa mereka masih boleh sangat berguna di dalam teknologi yang tidak memerlukan suis berkelajuan tinggi, seperti teknologi dpt dipakai optik seperti smartwatches dan Google Glass. Bahan-bahan ini nipis dan boleh fleksibel, yang berpotensi menjadikannya lebih berguna daripada elektronik.
Kajian ini juga boleh membawa kepada pendekatan reka bentuk baru yang dapat mengatasi had laju.
"Satu pilihan adalah untuk memanipulasi satu zarah pada satu masa dan bukan seluruh permukaan, jadi interaksi dengan cahaya dikendalikan dengan lebih cekap," kata Viaene.
"Satu lagi pilihan ialah untuk membuat unsur-unsur metamaterial bergerak secara berterusan pada kelajuan tetap dan mencatat variasi pergerakan ini."
Makalah yang merinci kajian itu diterbitkan dalam jurnal Surat Semula Fizik.
Pasukan penyelidikan juga termasuk Philippe Tassin, seorang profesor fizik di Chalmers, dan Vincent Ginis and Jan Danckaert dari Vrije Universiteit Brussel dan Harvard University.
