Ερευνητές στο Πολυτεχνικό Ινστιτούτο Rensselaer κατασκεύασαν μια συσκευή που είναι περίπου όσο μια ανθρώπινη τρίχα και θα βοηθήσει τους φυσικούς να διερευνήσουν τη θεμελιώδη φύση της ύλης και του φωτός. Τα ευρήματα τους, δημοσιεύτηκαν στο περιοδικό Nature Nanotechnology, και θα μπορούσαν επίσης να υποστηρίξουν την ανάπτυξη πιο αποτελεσματικών λέιζερ, τα οποία χρησιμοποιούνται σε τομείς που κυμαίνονται από την ιατρική μέχρι τον κατασκευαστικό κλάδο.
Η συσκευή είναι κατασκευασμένη από ένα ειδικό είδος υλικού που ονομάζεται φωτονικός τοπολογικός μονωτήρα (αγγλικά: photonic topological insulator)ς. Ένας φωτονικός τοπολογικός μονωτήρας μπορεί να καθοδηγήσει τα φωτόνια, τα κυματοειδή σωματίδια που συνθέτουν το φως, σε διεπαφές που έχουν σχεδιαστεί ειδικά μέσα στο υλικό, ενώ επίσης εμποδίζει αυτά τα σωματίδια να διασκορπιστούν μέσω του ίδιου του υλικού.
Εξαιτίας αυτής της ιδιότητας, οι τοπολογικοί μονωτές μπορούν να κάνουν πολλά φωτόνια να δρουν συνεκτικά σαν ένα φωτόνιο. Οι συσκευές μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν ως τοπολογικοί «κβαντικοί προσομοιωτές», δηλαδή ως μικροσκοπικά εργαστήρια όπου οι ερευνητές μπορούν να μελετήσουν τα κβαντικά φαινόμενα, τους φυσικούς νόμους που διέπουν την ύλη σε πολύ μικρές κλίμακες.
«Ο φωτονικός τοπολογικός μονωτής που δημιουργήσαμε είναι μοναδικός. Λειτουργεί σε θερμοκρασία δωματίου . Αυτή είναι μια σημαντική πρόοδος. Παλαιότερα, μπορούσε κανείς να ερευνήσει αυτό το καθεστώς χρησιμοποιώντας μεγάλο, ακριβό εξοπλισμό που ψύχει την ύλη στο κενό. Πολλά ερευνητικά εργαστήρια δεν έχουν πρόσβαση σε αυτό το είδος εξοπλισμού, οπότε η συσκευή μας θα μπορούσε να επιτρέψει σε περισσότερους ανθρώπους να συνεχίσουν αυτό το είδος βασικής έρευνας φυσικής στο εργαστήριο», δήλωσε ο Wei Bao, επίκουρος καθηγητής στο Τμήμα Επιστήμης και Μηχανικής Υλικών στο RPI και ανώτερος ερευνητής της μελέτης.
«Είναι επίσης ένα πολλά υποσχόμενο βήμα προς τα εμπρός στην ανάπτυξη λέιζερ που απαιτούν λιγότερη ενέργεια για να λειτουργήσουν, καθώς η δυνατότητα χρήσης της συσκευής μας σε θερμοκρασία δωματίου όπως και η ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για να λειτουργήσει είναι επτά φορές χαμηλότερο από τις συσκευές που λειτουργούν σε χαμηλή θερμοκρασία θερμοκρασίας που έχουν αναπτυχθεί προηγουμένως». πρόσθεσε ο Wei Bao.
Οι ερευνητές του RPI δημιούργησαν τη νέα τους συσκευή με την ίδια τεχνολογία που χρησιμοποιείται στη βιομηχανία ημιαγωγών για την κατασκευή μικροτσίπ, η οποία περιλαμβάνει τη στρώση διαφορετικών ειδών υλικών, άτομο προς άτομο, μόριο προς μόριο, για τη δημιουργία μιας επιθυμητής δομής με συγκεκριμένες ιδιότητες.
Για να δημιουργήσουν τη συσκευή τους, οι ερευνητές ανέπτυξαν εξαιρετικά λεπτές πλάκες αλογονιδίου περοβσκίτη, έναν κρύσταλλο από καίσιο, μόλυβδο και χλώριο, και χάραξαν ένα πολυμερές στην κορυφή του με ένα σχέδιο. Έβαλαν αυτές τις κρυσταλλικές πλάκες και το πολυμερές ανάμεσα σε φύλλα από διάφορα υλικά οξειδίου, σχηματίζοντας τελικά ένα αντικείμενο πάχους περίπου 2 μικρομέτρων και μήκους και πλάτους 100 μικρομέτρων (όσο μια μέση ανθρώπινη τρίχα).
Όταν οι ερευνητές έριξαν το φως του λέιζερ στη συσκευή, εμφανίστηκε ένα λαμπερό τριγωνικό σχέδιο στις διεπαφές που σχεδιάστηκαν στο υλικό. Αυτό το σχέδιο, που υπαγορεύεται από τη σχεδίαση της συσκευής, είναι αποτέλεσμα τοπολογικών χαρακτηριστικών των λέιζερ.
«Το να μπορούμε να μελετάμε κβαντικά φαινόμενα σε θερμοκρασία δωματίου είναι μια συναρπαστική προοπτική. Η καινοτόμος δουλειά του καθηγητή Bao δείχνει πως η μηχανική υλικών μπορεί να μας βοηθήσει να απαντήσουμε σε μερικά από τα μεγαλύτερα ερωτήματα της επιστήμης», δήλωσε ο Shekhar Garde, κοσμήτορας της Σχολής Μηχανικών στο RPI.
