ITMO fizikçileri lazer yardımıyla ışığı süper hızlı kontrol etmenin bir yolunu buldu
ITMO’da araştırmacılar, entegre fotonik dalga kılavuzlarında ışığı lazer darbeleriyle etkili şekilde manipüle etmenin bir yöntemini geliştirdi. Mevcut yöntemlerden farklı olarak bu sistemde kontrol binlerce kat daha hızlı gerçekleşiyor ve tamamen optik olarak, yani mekanik ya da elektriksel etki olmadan sağlanıyor. Bu, özellikleri ışınlama altında değişen ışık ve madde hibrit dalgaları sayesinde mümkün oluyor. Geliştirilen yöntem, gelecekte yapay zeka hesaplamalarını hızlandırabilecek süper hızlı optik çiplerin oluşturulmasında kullanılabilir. Araştırma sonuçları Applied Physics Letters dergisinde yayımlandı.
Günümüzde elektronik üreticileri cihazları mümkün olduğunca kompakt hale getirmeye çalışıyor. Ancak minyatür bilgisayarların performansını artırma süreci fiziksel sınırlarla karşılaşıyor: metal iletkenler aşırı ısınıyor ve sinyal iletim hızları, özellikle yapay zeka algoritmaları için artık yeterli olmuyor. Bu soruna çözüm olarak, bilgiyi elektronlar yerine ışık parçacıklarıyla taşıyan fotonik çipler öne çıkıyor. Ancak fotoniğin en büyük sorunu, ışığın kontrol edilmesinin oldukça zor olması; çünkü henüz tamamen optik çalışan bir transistörün eşdeğeri bulunmuyor.
2023 yılında ITMO’daki “Düşük Boyutlu Kuantum Malzemeler” laboratuvarı araştırmacıları, ışık ve madde özelliklerini aynı anda taşıyan hibrit optik dalgalar olan eksiton-polaritonları gözlemlemeyi sağlayan bir yöntem geliştirdi. Tantal oksitten yapılmış bir dalga kılavuzuna, tungsten disülfür (WS₂) tabanlı atomik incelikte bir yarı iletken katman eklendi ve dalgaların görüntülenmesi için çinko selenitten yapılmış minyatür bir lens kullanıldı. Aynı çalışmada, eksiton-polaritonların lens ile çip yüzeyi arasındaki mesafe değiştirilerek kontrol edilebileceği gösterildi.
Araştırmacılar bu çalışmayı sürdürerek artık hibrit ışığın süper hızlı optik kontrolünü sağlayan yeni bir yöntem geliştirdi. Bu kez daha gelişmiş bir dalga kılavuzu yapısı kullanıldı: WS₂ tabakası hekzagonal bor nitrürden yapılmış dielektrik dalga kılavuzuna entegre edildi ve kontrol için mekanik hareket yerine ultra kısa lazer darbeleri kullanıldı. Bu lazer atımları, hibrit parçacıkların özelliklerini değiştirerek ışığın bir pikosaniyeden daha kısa sürede (saniyenin trilyonda biri) anahtarlanmasını sağlıyor. Bu hız, termal veya mekanik yöntemlere kıyasla binlerce kat daha yüksek.
Kontrol edici lazer darbesi, ultra hızlı bir anahtar gibi çalışıyor: yarı iletkene etki ederek yüksek yoğunlukta eksiton oluşturuyor. Bu parçacıkların sayısı belirli bir seviyeyi aştığında yarı iletken geçici olarak ışıkla etkileşimini kaybediyor. Böylece hibrit bağ kopuyor ve ışık, hızı, fazı ve yönü değişmiş şekilde sıradan bir dalga olarak ilerlemeye devam ediyor.
Süreci gözlemlemek için araştırmacılar, önceki çalışmada kullanılan çinko selenit yerine daha yüksek kırılma indisine sahip galyum fosfitten yapılmış yarım küre şeklinde bir lens kullandı. Bu lens, dalga kılavuzunun içine etkili şekilde bakmayı ve lazer darbesinin hibrit dalgaları nasıl değiştirdiğini süreci bozmadan gözlemlemeyi sağlıyor. Tungsten disülfürün tercih edilme nedeni ise oda sıcaklığında güçlü ışık-madde etkileşimi sağlamasıdır. Çalışma kapsamında yapılan optik ölçümler Rusya Bilim Vakfı tarafından desteklendi (hibe No: 25-72-20030).
Araştırmanın lideri ve ITMO “Düşük Boyutlu Kuantum Malzemeler” laboratuvarı başkanı Vasiliy Kravtsov, yöntemin en önemli avantajlarının hız ve enerji verimliliği olduğunu belirtti. Isıtma yoluyla ışık kontrolünün mikrosaniyeler sürdüğünü, geliştirdikleri yöntemle bunun yüz binlerce kat daha hızlı gerçekleştiğini ifade etti. Ayrıca yarı iletken katmanın sadece üç atom kalınlığında olması sayesinde, diğer optik yöntemlere kıyasla çok daha düşük lazer gücü gerektiğini ve oda sıcaklığında çalışabilmesinin bu teknolojinin gerçek çip sistemlerine entegre edilmesini mümkün kıldığını vurguladı.
Bu yöntem, fotonik entegre devreler için süper hızlı optik modülatörler ve mantık elemanlarının geliştirilmesinde kullanılabilir. Özellikle yapay zeka uygulamaları için büyük önem taşıyor. Elektronik ve fotoniğin birlikte çalıştığı hibrit çipler, sinir ağlarının temelini oluşturan matris hesaplamalarını çok daha hızlı gerçekleştirebilir.
Araştırma ekibi önümüzdeki 2–3 yıl içinde, dalga kılavuzunun belirli noktalarında anahtarlama yapabilen işlevsel bir optik modülatör prototipi geliştirmeyi planlıyor. Bu tür çipler gelecekte süper bilgisayarlarda ve telekomünikasyon ekipmanlarında kullanılabilir. Çalışma ayrıca “Öncelik-2030” programı tarafından da desteklenmiştir.
Editör Yorumu
ITMO’nun bu çalışması, fotonik ve yapay zeka altyapılarının geleceği açısından kritik bir eşik anlamına geliyor. Elektronik sınırların zorlandığı bir dönemde, ışık temelli veri işleme yaklaşımı gerçek bir paradigma değişimi yaratabilir. Özellikle süper hızlı optik kontrol teknolojisi, yalnızca akademik bir başarı değil; aynı zamanda yüksek performanslı hesaplama ve AI sistemlerinde doğrudan ticari karşılık bulabilecek stratejik bir gelişme olarak öne çıkıyor.
https://news.itmo.ru/ru/science/photonics/news/14769/
18.03.2026