Fotonik devrim: Narval şeklindeki dalga ışığı minyatürleştiriyor

Elektronik

Teknolojik Yenilik Web Sitesi Editör Ekibi - 06/11/2025

Işık bilgisayarlarını minyatürleştirmenin sırrı, uygun bir elektromanyetik modda uzamsal sınırlamaya olanak tanıyan ve ışık-madde etkileşimlerinin gücünü doğrudan belirleyen bir narval biçimli dalga fonksiyonunda yatmaktadır. [Görsel: Wen-Zhi Mao ve ark. - 10.1186/s43593-025-00104-x]

Işık tabanlı bilgi işlem

Elektronlar yerine fotonları kullanan işlemcileriyle fotonik bilişim , elektronik bilgisayarlara kıyasla hız ve enerji verimliliği açısından avantajlarını büyük ölçüde kanıtlamıştır.

Ancak fotonik bir cep telefonu veya dizüstü bilgisayar satın almadan önce üstesinden gelinmesi gereken zorluklar var: Optik bileşenler minyatürleştirme söz konusu olduğunda yarı iletken elektroniklerle rekabet edemez.

Sebebi çok temel: Heisenberg'in belirsizlik ilkesi, ışığın uzaysal hapsedilmesini dalga boyuna bağlar; bu dalga boyu, görünür ve yakın kızılötesi bölgede elektronların dalga boyundan bin kata kadar daha uzun olabilir. Bu uyumsuzluk, fotonik çiplerin hantal olmasına neden olmuştur.

Plazmonik, metalleri kullanarak ışığı dalga boyunun altındaki hacimlere sıkıştırarak bariyeri aşmanın bir yolunu sunuyor. Ancak metaller enerjiyi ısı şeklinde dağıtıyor ve bu da ışık bilgisayarlarının verimli ve büyük ölçekli entegrasyonuna doğru ilerlemeyi engelleyen bir telafi ihtiyacı yaratıyor.

Narval dalgasının özellikleri ve oluşum şekli. [Görsel: Wen-Zhi Mao ve diğerleri - 10.1186/s43593-025-00104-x]

Narval şeklindeki dalga

Işık tabanlı hesaplamanın minyatürleştirilmesine yönelik kesin bir ilerlemeye dair umutlar, geçen yıl Çin'deki Pekin Üniversitesi'nden bir ekibin, ışığın kayıpsız bir şekilde dielektrik (yalıtkan veya iletken olmayan) malzemelerde aşırı ölçeklerde nasıl sınırlandırılabileceğini gösteren yeni bir teorik çerçeve olan tekil saçılma denklemini geliştirmesiyle ortaya çıkmaya başladı.

Tamamen dielektrik malzemelere dayanan bu yaklaşım, ohmik kayıpları önlüyor ve yeni nesil kompakt ve enerji tasarruflu fotonik cihazların önünü açıyor.

Şimdi aynı ekip, fenomeni daha iyi anlayarak, tekil dağılım denkleminin mümkün kıldığı olağanüstü sınırlamanın, narval biçimli bir profile sahip özel dalga fonksiyonları olan yeni bir elektromanyetik özmod sınıfından ortaya çıktığını keşfetti. Dalga, boynuza benzeyen uzun, düz ve sarmal bir dişe sahip dişli bir balina olan narval veya deniz tek boynuzlu atını anımsatan bir profile sahip. Ancak bu diş aslında sol üst köpek dişinin uzamış hali.

Bu dalga modları, yerel güç yasasının güçlenmesini küresel üstel azalmayla birleştirerek elektromanyetik alanların yoğunlaşmasını ve dalga boyu tarafından belirlenen geleneksel sınırların çok ötesinde sıkışmasını sağlar.

Bu anlayışla ekip, etkisini pratikte göstermek için gerekli tüm araçlara sahip oldu.

Narval şeklindeki dalga, atom ölçeğinde boyutlara sahip nanoantenler kullanan dielektrik nanolazerler tarafından üretiliyor. [Görsel: Yun-Hao Ouyang ve ark. - 10.1038/s41586-024-07674-9]

Fotoniklerin minyatürleştirilmesi

Wen-Zhi Mao ve meslektaşları daha sonra üç boyutlu bir dielektrik rezonatörün tasarımını yapıp inşa ettiler ve bu rezonatörün üç boyutlu uzaysal boyutta da alt kırınım yoluyla dalgaları hapsetme kapasitesine sahip olduğunu deneysel olarak gösterdiler.

Yakın alan tarama ölçümlerini kullanarak, narval şeklindeki dalga fonksiyonlarını doğrudan gözlemlediler ve tekilliğe yakın büyümelerini, kuvvet yasasını ve daha geniş aralıklarda üstel azalmalarını açıkça yakaladılar. Elde edilen hacim çok küçüktür; sadece 5 × ^{10⁻⁷ λ³} - lambda, ışığın dalga boyunu temsil eder.

Deney, tekil dispersiyon denkleminin, kayıpsız dielektriklerde aşırı ölçeklerde ışık yakalayan egzotik modlar olan narval biçimli dalga fonksiyonlarına yol açtığını kanıtlıyor ve ekibin "tekillik" adını verdiği, ışığın dalga boyundan çok daha küçük boyutlarda hapsedilmesini ve bu ışığın dağılmadan kaynaklanan kayıplar olmadan kontrol edilmesini sağlayan yeni bir nanophotonic paradigmasını başlatıyor.

Bu çığır açan buluş, ultra verimli bilgi işlemeyi nihayet hızlandırmayı, kuantum optiği ve mikroskopi alanında yeni yollar açmayı ve süper çözünürlüklü görüntülemenin kapsamını genişletmeyi vaat ediyor. İkinci durumda, ekip deneyini, λ/1000 gibi eşi benzeri görülmemiş bir mekansal çözünürlük sunan, "tekil optik mikroskop" adını verdikleri yeni bir yakın alan taramalı optik mikroskopi tekniğini göstermek için kullandı.

Diğer haberler:

Daha fazla konu