Two-Dimensional Transformation Optics: A Guided Tour to Nonmagnetic Flatland Metamaterials

Snelle racecircuits voor licht in computerchips

Laptops, smartphones en tablets worden allen ontworpen onder het motto: “less is more”. De computerchips in deze toestellen verwerken informatie alsmaar sneller met minder en dunnere materialen. In deze toepassingen worden lichtgolven steeds vaker gebruikt als informatiedrager. Jammer genoeg is het bijzonder moeilijk om licht binnen het beperkte volume van een chip efficiënt te manipuleren. Daarom heeft Sophie Viaene in haar afstudeerwerk aan de Vrije Universiteit Brussel een methode ontwikkeld om informatie toch langs de baantjes van een optische chip te kunnen sturen. Door de chip een heuvelachtig reliëf te geven, vormt hij een uitgekiend optisch racecircuit dat het licht in goede banen leidt.

Licht als snelheidsduivel

Ons dagelijkse leven wordt meer dan ooit bepaald door hoogtechnologische snufjes die gebaseerd zijn op licht. Naast toepassingen zoals touchscreens, zonnecellen en dvd-spelers speelt licht onder andere een grote rol in de telecommunicatie. Informatiedragende lichtgolven worden bijvoorbeeld met een duizeling¬wekkende snelheid door intercontinentale kabels gejaagd en vormen zo de ruggengraat van het internet.

Voor het transport van informatie over kortere afstanden – zoals bijvoorbeeld binnenin computer-chips – liggen de kaarten anders. Dat transport gebeurt zelfs in de meest geavanceerde computers nog steeds door middel van elektrische signalen. Het is voor licht immers zeer moeilijk om de zigzagbaantjes op een chip te volgen zonder uit de bocht te vliegen. Mocht dit probleem opgelost worden, dan vormen lichtsignalen een uitstekend alternatief om veel meer informatie op korte tijd te verwerken.

Recent hebben wetenschappers bijzondere materialen ontwikkeld die de beweging van licht met ongekende nauwkeurigheid kunnen sturen. Deze metamaterialen vormen de sleutel om licht te gebruiken voor communicatie op microscopisch niveau.

Van blauwdruk tot optisch racecircuit

Voordat een ontwerper metamaterialen ten volle kan benutten, moet hij allereerst het gedetailleerde lichttraject op de chip uitstippelen. Figuur 1 toont hoe dit stapsgewijs wordt aangepakt. Normaal gezien bewegen lichtstralen zich in rechte lijnen voort. Als ontwerper wil je deze lichtstralen eigenlijk kunnen vastnemen en omplooien totdat de onderdelen van de chip optimaal verbonden zijn. Zo ontstaat jouw blauwdruk van een optisch circuit.

Natuurlijk is het onmogelijk om een lichtstraal letterlijk vast te nemen en om te buigen. Gelukkig bieden de wetten van de fysica een uitweg. Einstein voorspelde namelijk dat licht in de buurt van zwarte gaten en massieve sterren een gebogen pad verkiest boven een rechte lijn. De zwaartekracht van deze hemellichamen vervormt de ruimte zodanig dat het licht een kortere, gekromde weg inslaat. Analoog moet een virtuele ontwerper dus het oppervlak van de blauwdruk vervormen, zoals een vlies dat uitgerekt of ingeduwd wordt, om de lichtstralen een gewenst patroon te laten volgen.

Een verkeersreglement voor licht

Hoe toveren we nu de theoretische blauwdruk om tot een tastbaar circuit op een computerchip? Dat is de centrale vraag die Sophie Viaene met haar nieuwe methode, de geleide transformatieoptica, beantwoordt. Haar techniek laat toe om de eigenschappen te bepalen van het specifieke materiaal dat licht op de¬zelfde manier stuurt als de vervorming van de blauwdruk. Op deze manier wordt licht onderworpen aan een verkeersreglement op het optische racecircuit.

Een aangepast materiaal in de chip is op zich niet voldoende om licht rond te leiden over het circuit. Licht heeft er immers moeite mee om kleine afstanden, zoals deze tussen de randen van een dunne chip, te onderscheiden. Daardoor lekt een deel van het licht door de randen heen. Om te voorkomen dat informatie hierdoor ontsnapt, moet de chip in principe zeer dik worden en veel materiaal bevatten. Dat druist in tegen alle principes van een vlak en dun ontwerp.

Een hobbelig parcours

Een slim trucje volstaat om een drastische toename in materiaal te vermijden. De randen van de chip kunnen het licht namelijk vooruit kaatsen langs het oppervlak. Net zoals bij het duwen van een schommel is de timing waarmee de lichtstralen kaatsen uiterst belangrijk. Voor één specifieke afstand tussen de randen van de chip, gebeurt dit kaatsspel zo efficiënt dat het licht als vanzelf voortgestuwd wordt langs het oppervlak van de chip. Het kan niet meer ontsnappen.

Toch lost een chip met één perfecte dikte het probleem niet helemaal op. Lichtstralen hebben namelijk een eigen manier om de afstand tussen de randen te bepalen. Met een eigen “meetlat” nemen ze regelmatig de dikte van de chip op. Deze meetlat wordt door de vervorming van de blauwdruk echter voortdurend mee uitgerekt of in elkaar geduwd. Een chip die voor ons vlak lijkt, vormt volgens de lichtstralen een hobbelig hindernissenparcours. De geleide transformatie¬optica vermijdt deze hindernissen door ook de dikte van de chip geleidelijk te laten variëren, zodat deze – volgens het licht – precies de ideale waarde van het kaatsspel aanneemt. Op deze manier snelt het licht langs het heuvelachtige oppervlak voort.

Met krachtige computersimulaties ging Sophie Viaene vervolgens na of haar heuvelachtige optische chip zich inderdaad gedraagt als een racecircuit. Figuur 2 toont hoe ze erin slaagt om het licht zonder enig probleem een bocht op de blauwdruk te doen voltooien. De rode en blauwe lijnen duiden telkens een groep lichtstralen aan die op eenzelfde moment vertrokken zijn. Ze voeren de bocht mooi synchroon uit.

De geleide transformatieoptica opent nieuwe perspectieven voor het doorsturen van informatie via licht op computerchips. Met een vleugje creativiteit kan deze techniek gebruikt worden om vele andere optische racecircuits te construeren. Heuvelachtige, dunne laagjes geven onze computer-chips meer flexibiliteit met minder materiaal: “less is more”.