Tutkimus

Metamateriaalin avulla voi hallita valon korrelaatioita

Tutkija Hervannan kampuksella
Tutkijatohtori Matias Koivurova fysiikan yksiköstä on yksi Tampereen yliopiston uuden tutkijakollegiumin tutkijoista. Hän tutkii valon korrelaatioita ja optisia pyörteitä. Kuva: Jonne Renvall / Tampereen yliopisto.
Tampereen ja Itä-Suomen yliopistojen tutkijat ovat yhteistyössä teoreettisesti osoittaneet, että valon korrelaatioita voidaan hallita tehostetun epsilon-near-zero (eENZ) metamateriaalin avulla. Tästä metamateriaalista valmistettavilla, pienillä ja korkealaatuisilla lasereilla odotetaan olevan sovelluksia esimerkiksi kuvantamisessa, virtausten havaitsemisessa ja langattomassa optisessa tiedonsiirrossa.

Valonlähdettä suunniteltaessa rajoitutaan yleensä tiettyihin korrelaatio-ominaisuuksiin. Esimerkiksi yksimoodilaserissa korrelaatioita löytyy koko aaltorintamasta. Optisia kaviteetteja, jotka tukevat vain yhtä moodia, on kuitenkin suhteellisen vaikea valmistaa. Useampaa moodia tukeva kaviteetti on helpompi valmistaa, mutta tällaisessa laserissa korrelaatiot häviävät, riippuen läsnä olevien moodien määrästä. Kaviteetti tarkoittaa kahden peilin muodostamaa tilaa, johon valo on vangittu.

– Molemmilla lähdetyypeillä on käyttötarkoituksensa, ja viimeisten 20 vuoden aikana on tehty paljon työtä molempien parhaiden puolien saavuttamiseksi. Muutama vuosi sitten syntyi ajatus korrelaatio-ominaisuuksien kytkemisestä, ja se on siitä lähtien saanut paljon huomiota, kertoo tutkijatohtori Matias Koivurova Tampereen yliopistosta.

Tutkimusryhmän lähestymistapa on aiempia yrityksiä kehittyneempi, ja sillä saavutetaan lähes täydellinen siirtyminen korkean ja matalan korrelaatiotilan välillä.

Lisäämällä eENZ-peili yhdeksi kaviteetin peileistä perinteinen monimuotokaviteetti muutetaan tukemaan vain yhtä moodia resonaattorin parametreista riippumatta. Tämä muutos on mahdollista siksi, että eENZ-peili käyttäytyy kuin neulanreikä kulma-avaruudessa: kun osuvalla valolla on sopiva polarisaatio, se heijastaa valoa vain suhteellisen kapeassa kartiossa.

Tehostetulla eENZ-materiaalilla lukuisia sovellusmahdollisuuksia

eENZ-peilillä on erikoinen vaste valon eri polarisaatioille. Kun siihen osuu poikittaissähköisesti (TE) polarisoitunutta valoa, metamateriaali käyttäytyy melkein kuin tavanomainen peili. Toisaalta, kun polarisaatio käännetään 90 astetta poikittaismagneettiseksi (TM), neulanreikä-ilmiö korostuu.

TM-polarisoitu valo herättää materiaalissa niin sanottuja Ferrell-Berreman-moodeja, jotka vaimentavat voimakkaasti valoa, joka osuu eENZ-peiliin riittävän suuressa kulmassa.

- Hallitsemalla valon polarisaatiota kaviteetin sisällä tiimimme pystyi vaihtamaan valon korrelaatio-ominaisuuksia mielensä mukaan, lähes korreloimattomasta täysin korreloituneeseen. Nyt meidän on vain rakennettava laite! Koivurova toteaa lopuksi.

Schematic of the proposed resonator, where the back mirror has been replaced with an eENZ mirror.
Kaavakuva ehdotetusta resonaattorista, jossa takapeili on korvattu eENZ-peilillä. Kuva: Matias Koivurova.

Tutkimus on ensimmäinen, jossa osoitetaan korrelaatio-ominaisuuksien kytkentä kiinteässä tilassa, ja sen odotetaan löytävän sovelluksia kuvantamisessa, virtausten havaitsemisessa, vapaassa tilassa tapahtuvassa televiestinnässä. Lisäksi eENZ-peili mahdollistaa pienten ja korkealaatuisten lasereiden suhteellisen helpon valmistuksen.

Tutkimus Coherence switching with Metamaterials julkaistiin Physical Review Letters -lehdessä Editor's Suggestion julkaisuna. Sama tutkimusryhmä esitteli uudenlaisen metamateriaalin viime vuonna New Journal of Physics -lehdessä, ja tämä tuorein tutkimus on ensimmäinen, jossa esitellään sen kiehtovien ominaisuuksien mahdollisia sovelluksia.

Koivurovan tutkimustyö saa jatkoa uudessa tutkijakollegiumissa

Matias Koivurova on yksi 18 tutkijasta, jotka aloittavat syksyn 2021 aikana työnsä Tampereen yliopistoon vastikään perustetussa tutkijakollegiumissa. Tekniikan, terveyden ja yhteiskunnan alojen tutkijoista koostuva tutkijakollegium, Tampere Institute for Advanced Study (Tampere IAS), tarjoaa tutkijoille mahdollisuuden keskittyä täysipainoisesti tutkimustyöhön kahden vuoden ajan.

Koivurova keskittyy kollegiumissa selvittämään valon korrelaatioita ja optisia pyörteitä tutkimuksessaan Correlations and Optical Vortices: Avenues for Radically Innovative and Novel Technologies – COVARIANT.

Tutkijakollegiumin tehtävät olivat kansainvälisesti haettavina. Hakemuksia saatiin 622.

Ota yhteyttä

Matias Koivurova
matias.koivurova [at] tuni.fi

 

Aiheeseen liittyviä uutisia

Uusimmat uutiset kategoriassa Tutkimus

Uusimmat uutiset