Illustration av forskningsresultat inom nanofotonik
Chalmersforskare har upptäckt varför det finns en hastighetsgräns för hur snabbt ljusets egenskaper kan ändras med hjälp av specialdesignade material. Den nya kunskapen kan visa vägen när det gäller till exempel nästa generations smarta klockor, skärmar och glasögon. 
​Illustration: Sophie Viaene och Vincent Ginis

Så kan smarta teknikprylar undvika hastighetsgränser

​Det är inte bara i trafiken som det finns hastighetsgränser. Även ljuset har sina begränsningar – till exempel i optiska switchar för internettrafik. Nu har fysikforskare på Chalmers förstått varför det inte går att öka hastigheten över en viss gräns – och i vilka lägen det är bäst att välja en annan väg. ​
I nästan all modern elektronik spelar ljus och andra elektromagnetiska vågor en avgörande roll, inte minst i våra mobiltelefoner. För att kunna styra ljusets egenskaper med hög precision, har forskarna på senare år utvecklat konstgjorda specialmaterial – så kallade optomekaniska metamaterial – som övervinner de begränsningar som naturliga material har. För att förändra till exempel ljusets färg eller intensitet används så kallade optiska switchar. Dessa omkopplare kan vid internettrafik slås på och av upp till 100 miljarder gånger på en enda sekund. Sedan går det inte att öka hastigheten mera. Där går gränsen även för de unika specialmaterialen. 

– Forskare har haft goda förhoppningar om att uppnå allt högre hastigheter i optiska switchar genom att ytterligare utveckla de optomekaniska metamaterialen. Nu vet vi varför dessa material inte klarar att konkurrera ut befintlig teknik i till exempel nätverk för internettrafik och mobiltelefoni, säger Sophie Viaene, forskare inom nanofotonik på institutionen för fysik på Chalmers. 

För att komma fram till varför hastighetsbegränsningarna finns och vad de innebär, har hon i sin doktorsavhandling gått utanför optikfältet och även analyserat fenomenet med hjälp av så kallad ickelinjär dynamik. Slutsatsen är att det är nödvändigt att välja en annan väg för att kringgå hastighetsgränserna: I stället för att styra en hel yta samtidigt, kan man kontrollera interaktionen med ljus mer effektivt genom att manipulera en partikel åt gången. Ett annat sätt att lösa problemet är att låta specialmaterialet röra sig kontinuerligt med en konstant hastighet och att mäta variationerna av rörelsen.

Men hastighetsgränsen är inte ett problem för alla användningsområden, konstaterar Sophie Viaene och hennes handledare, docent Philippe Tassin. När det gäller skärmar och olika typer av displayer är det inte nödvändigt att förändra ljusets egenskaper så extremt snabbt. Då erbjuder specialmaterialen stora möjligheter, eftersom de är tunna och kan vara flexibla.
Forskarna har med sina resultat tagit ut riktningen inom forskningsfältet och deras vetenskapliga artikel publicerades nyligen i den mycket ansedda tidskriften Physical Review Letters. Vägen ligger nu öppen för framtidens allt smartare klockor, skärmar och glasögon.  

När det gäller prylar där vi kan se ljuset med blotta ögat, är hastighetsbegränsningen inget problem, eftersom våra ögon inte är så snabba. Vi ser stora möjligheter för optomekaniska metamaterial när det gäller att utveckla tunna, flexibla applikationer för interaktiv visualiseringsteknik, säger Philippe Tassin, docent på institutionen för fysik på Chalmers.

Text och foto: Mia Halleröd Palmgren, mia.hallerodpalmgren@chalmers.se

Bildtext till fotot i artikeln ovan: Chalmersforskarna Sophie Viaene och Philippe Tassin publicerade nyligen sina forskningsresultat inom nanofotonik i den ansedda tidskriften Physical Review Letters. De har tagit ut riktningen inom sitt forskningsfält och visar vilka vägar som är bäst att gå.

Läs den vetenskapliga artikeln: Do Optomechanical Metasurfaces Run Out of Time? i Physical Review Letters. Artikeln är skriven av Chalmersforskarna Sophie Viaene och Philippe Tassin tillsammans med Vincent Ginis och Jan Danckaert från Vrije Universiteit Brussel/Harvard University. 

Så funkar nanofotonik och optomekaniska metamaterial:

Nanofotonik är en del av fysiken som studerar hur ljus kan styras och manipuleras med hjälp av elektromagnetiska strukturerade material. 
Ljus och elektromagnetiska vågor spelar en avgörande roll i vårt samhälle när det gäller till exempel internet, smarta mobiler och tv-skärmar. För att tekniken ska kunna utvecklas vidare med optikens hjälp räcker det inte längre med vanliga, naturliga material. Det krävs konstgjorda specialmaterial – så kallade optomekaniska metamaterial - för att kringgå de begränsningar som naturliga material har. Inom forskningen undersöker och utformar man konstgjorda material för att få fram egenskaper som gör det möjligt att manipulera elektromagnetiska vågor. Det kan handla om allt ifrån mikrovågor och terahertzvågor till synligt ljus. Forskarna designar materialet genom att låta små elektriska kretsar ersätta atomer som de underliggande byggstenarna för växelverkan mellan elektromagnetiska vågor och materia. Sådana elektromagnetiska strukturerade material skapar möjligheter att konstruera komponenter för avancerad ljuskontroll med hög precision. 

För mer information: 

Philippe Tassin​, docent, institutionen för fysik, Chalmers, philippe.tassin@chalmers.se​, 031-772 22 92​​
Sophie Viaene, forskare, institutionen för fysik, Chalmers, sophie.viaene@chalmers.se, +32 2 629 36 13

Publicerad: to 28 jun 2018. Ändrad: to 28 jun 2018