AMOLF-onderzoekers maken eenrichtingsweg voor licht

Onderzoekers van FOM-instituut AMOLF en de University of Texas in Austin maakten een compacte eenrichtingsweg voor licht.  Dat is opmerkelijk want lichtgolven kunnen eigenlijk altijd zowel heen als terug bewegen in een materiaal. Optische chips kunnen baat hebben bij de nieuwe functionaliteit om gegevens gecodeerd in lichtsignalen in goede banen te leiden. De onderzoekers publiceren hun resultaten op 29 november in Nature Communications.

Hoe werkt het?
Hoewel het meestal niet te merken is, oefent licht een kracht uit op objecten waar het op schijnt. Het licht ‘duwt’ een beetje op een beschenen voorwerp. In sommige gevallen kan licht een klein object daardoor zelfs in beweging zetten. De onderzoekers gebruikten dit gegeven om een eenrichtingsweg voor licht te maken. Zij bereikten dit door licht dat door een glasvezel loopt tijdelijk op te sluiten in een perfect gevormde ring, met een diameter kleiner dan die van een haar. In zo’n ring kan licht maar liefst 100.000 keer rondzingen, wat de kracht die het uitoefent op de wanden enorm versterkt. Als resultaat zet de ring een beetje uit. Vervolgens introduceerden de onderzoekers een tweede lichtgolf met een net iets andere kleur dan de eerste. Door de interferentie van beide lichtgolven gaat de ring trillen, maar alleen als de twee golven in dezelfde richting door de ring bewegen. Omdat het systeem zo ontworpen is dat de glasvezel het licht alleen doorlaat als de ring trilt, wordt licht uit de tegenovergestelde richting geblokkeerd.

Toepassing
De gedemonstreerde principes kunnen van groot belang zijn voor het in goede banen leiden van licht op optische chips. Modern dataverkeer vindt al voor een groot deel plaats in de vorm van licht. Het verwerken van informatie in optische circuits op chips heeft grote voordelen boven elektronische alternatieven, met name omdat licht veel minder energie gebruikt. Een tot nu toe ontbrekende component op deze optische chips is een zogenoemde isolator die golven in één richting doorlaat, maar in de andere richting blokkeert en daarmee controle uitoefent op het transport van signalen. Het gedemonstreerde experiment is een prototype-isolator in een heel compacte vorm, die bovendien actief met licht aan- en uitgeschakeld kan worden.

Theorie en vervolgonderzoek
De onderzoekers vertaalden de waarnemingen in het laboratorium in een algemene theorie van  ‘optomechanische isolatie’. Deze theorie beschrijft en voorspelt dat implementatie van de eenrichtingsweg in allerlei verschillende systemen mogelijk is. Denk daarbij bijvoorbeeld aan het nog sneller verwerken van optische signalen. Bovendien laten de onderzoekers zien dat de isolator ook kan werken voor radiogolven, wat toepassing in toekomstige quantumcomputers mogelijk maakt.

Figure: With the help of an optical fibre (purple), the researchers were able to trap light in a ring. When two different colours (red and light green) start to circulate in the same direction in  the ring, then the ring starts to vibrate. As a result of this, light is allowed to pass through. As the dark green light moving in the opposite direction does not cause the ring to vibrate, light in that direction is blocked.

Referentie
Freek Ruesink, Mohammad-Ali Miri, Andrea Alù & Ewold Verhagen. Nonreciprocity and magnetic-free isolation based on optomechanical interactions, Nature Communications (2016), Doi:10.1038/NCOMMS13662