Ultrafialové světlo v pásmu UV-C, tedy v rozsahu přibližně od 100 do 280 nanometrů, má jednu vlastnost, která je pro komunikaci zásadní. V atmosféře se silně rozptyluje. Díky tomu není nutné, aby vysílač a přijímač na sebe přímo viděly. Informace se mohou dostat i za roh, přes kouř, prach nebo složité prostředí plné překážek. Právě to z UV-C dělá zajímavého kandidáta pro komunikaci v situacích, kde dnes klasické rádiové nebo optické systémy selhávají.

Dosud ale narážel výzkum na zásadní problém. Chyběly prakticky použitelné zdroje UV-C světla a stejně tak citlivé detektory, které by dokázaly tak krátké a energeticky slabé pulzy spolehlivě zachytit. Výsledkem bylo, že se o potenciálu UV-C mluvilo hlavně teoreticky.

Tým vědců z University of Nottingham a Imperial College London teď ukázal, že tahle bariéra už nemusí platit. Podařilo se jim propojit ultrarychlý UV-C laser se zcela novým typem senzorů založených na dvourozměrných polovodičích. Výsledkem je funkční systém, který dokáže informace nejen vysílat, ale i číst.

Zdroj: Shutterstock

Femtosekundy, 2D materiály a praktický experiment

Srdcem celého řešení je laserový zdroj, který využívá nelineární optické procesy v přesně vyladěných krystalech. Pomocí tzv. kaskádového generování druhé harmonické vznikají UV-C pulzy dlouhé pouhé femtosekundy. Pro představu, femtosekunda je jedna miliontina miliardtiny sekundy. Tak krátké záblesky umožňují extrémně rychlé kódování informace.

Neméně důležitá je druhá část systému, detekce. Vědci použili senzory z atomárně tenkých materiálů, konkrétně z gallia selenidu a jeho oxidované vrstvy. Tyto materiály reagují na UV-C světlo překvapivě efektivně a fungují i při pokojové teplotě, což je zásadní pro reálné nasazení mimo laboratoř. Měření navíc ukázala, že odezva senzorů roste lineárně až nadlineárně s energií pulzu, což je velmi žádoucí vlastnost pro stabilní a přesný přenos dat.

A nešlo jen o laboratorní měření. Výzkumný tým sestavil jednoduchou volnoprostorovou komunikační linku. Na straně vysílače zakódovali informaci do UV-C laseru, na straně přijímače ji nový senzor úspěšně dekódoval. Právě tenhle praktický test ukazuje, že nejde o izolovaný experiment, ale o technologii, která má reálný aplikační potenciál.

Význam má i to, že použité materiály i výrobní postupy jsou kompatibilní s běžnými metodami škálovatelné výroby. To zvyšuje šanci, že se podobné zdroje a detektory v budoucnu dostanou i mimo špičková výzkumná pracoviště.

Kde může UV-C technologie změnit pravidla

Možnost generovat a detekovat femtosekundové UV-C pulzy otevírá dveře celé řadě oblastí. Jednou z nich je komunikace mezi autonomními systémy, roboty nebo drony, které se pohybují v prostředí s omezenou viditelností. Další oblastí je pokročilé zobrazování, superrozlišovací mikroskopie nebo ultrarychlá spektroskopie, kde hraje roli každá zlomková část sekundy.

Zajímavý je i potenciál integrace. Dvourozměrné polovodiče lze relativně snadno začlenit do fotonických integrovaných obvodů. V praxi by tak mohly vzniknout kompaktní systémy, kde je zdroj UV-C světla a detektor součástí jednoho čipu. To je přesně ten typ technologie, který může nenápadně změnit způsob, jakým v budoucnu pracujeme se světlem i informacemi.