Objevili jeden speciální druh krystalu, který lze doslova přeprogramovat obyčejným světlem, a to bez složitých výrobních procesů, které dnes dominují polovodičovému průmyslu.

Základ tohoto průlomu je materiál zvaný sulfid arsenitý (As₂S₃), který patří mezi takzvané van der Waalsovy krystalické polovodiče. Na první pohled nejde o nic výjimečného, podobné materiály jsou známé už delší dobu. To, co z něj ale dělá unikát, je jeho neobvyklá reakce na světlo. Vědci přišli na to, že jeho optické vlastnosti lze trvale měnit pouhým ozářením, přičemž jej lze tvarovat na nanometrové úrovni pomocí běžného kontinuálního laseru. Tím pádem zcela odpadá nutnost využívat drahé čisté prostory nebo extrémně přesné femtosekundové lasery, které jsou dnes běžný standard při výrobě optických struktur.

Abychom pochopili, proč je to tak význačné, je potřeba si zafokusovat pojem index lomu. Ten totiž určuje, jak moc materiál zpomaluje nebo ohýbá světlo. Platí, že čím vyšší je index lomu, tím lépe lze světlo vést kupříkladu v optických vláknech nebo čipech. U některých materiálů se tento index může měnit v závislosti na osvětlení, nazývá se to fotorefraktivita. Na ni navazuje důležitá vlastnost As₂S₃. Konkrétně krystal vykazuje extrémně silnou fotorefraktivní odezvu i při nízké intenzitě ultrafialového světla. Změna indexu lomu může dosahovat hodnoty přibližně Δn ≈ 0,3, což je výrazně více než u tradičních materiálů, jako jsou BaTiO₃ nebo LiNbO₃.

V praxi to vyjadřuje především to, že světlem lze přímo zapisovat optické funkce do materiálu. Namísto složité výroby, která zahrnuje vrstvení, leptání a další kroky, může být závěrná struktura vytvořena přímo pomocí světelného paprsku. Světlo tak nejen přenáší informaci, ale souběžně určuje, jak se bude materiál chovat vůči ostatním optickým signálům. To posléze otevírá cestu k celé řadě aplikací, ať už od miniaturních vlnovodů v telekomunikacích až po difrakční prvky používané v senzorech nebo zobrazovacích systémech.

Zvlášť výrazná je schopnost vytvářet extrémně jemné vzory. Díky výrazné změně indexu lomu lze do průhledného materiálu zahrnout / otisknout struktury s velmi vysokým rozlišením. Takové vzory mohou fungovat jako jakési optické otisky prstů, které je velmi obtížné napodobit. To přináší zajímavou řadu potenciálních využití, třeba zrovna v ochraně proti padělání nebo při sledování původu výrobků.

Sami vědci tuto schopnost demonstrovali poměrně názorně, když s pomocí běžného laseru vytvořili mikroskopický monochromatický portrét Alberta Einsteina, kde jednotlivé body byly od sebe vzdáleny pouhých 700 nanometrů. V jiných experimentech dosáhli ještě vyššího rozlišení, odpovídajícího zhruba 50 000 bodům na palec, což je velmi slušný počin.

Změny nejsou však pouze optické

Materiál se při ozáření světlem dokáže i fyzicky roztahovat - až o pět procent. Tato druhotná vlastnost umožňuje přímo formovat mikroskopické struktury, jako jsou mikročočky nebo difrakční mřížky, aniž by zde zůstávala nutnost mechanického zásahu. Jinými slovy, světlo zde funguje jako nástroj, který materiál nejen programuje, ale také fyzicky modeluje a přetváří.

Podle Valentyny Volkova z XPANCEO jde o milník v nové generaci technologií, kde hlavní roli nebude hrát elektřina, ale spíše světlo. To je rozhodující například pro vývoj pokročilých zařízení, jako jsou chytré kontaktní čočky nebo brýle pro augmentovanou realitu. Tyto systémy vyžadují extrémně malé, ale zároveň velmi přesné optické prvky, které musí být integrovány do kompaktního a často i pružného prostředí.

Schopnost As₂S₃ reagovat na světlo je skutečně velmi ohromující a působí velice prakticky, obzvláště tím, jak dokáže měnit své vlastnosti a zároveň vytvářet struktury na nanometrové úrovni. Pro fotonické obvody a nanosenzory by mohl být naprosto ideální složkou.

Ani bych se nebál říci, že tyto technologie mohou v budoucnu nahradit nebo doplnit klasickou elektroniku, zejména tam, kde je potřeba rychlost, nízká spotřeba energie nebo práce s velmi malými rozměry.