Komutatorius, kuriame vieni šviesos pluošteliai perjunginės kitus, turėtų tapti itin sparčių ateities ryšio sistemų šerdimi. Japonų mokslininkai tvirtina, kad jų sukurtasis "optinis tranzistorius" gali įgalinti visišką optinių tinklų atsiradimą ir drastiškai pagerinti Interneto prievadų spartą.

   Dabartiniuose duomenų perdavimo tinkluose optinės skaidulos naudojamos tuomet, kai reikia padidinti perdavimo greitį ar telefono pokalbių skaičių. Tačiau kai šviesa pasiekia signalų komutavimo vietą, pavyzdžiui, telefono stotį, signalą prieš pasiunčiant į kliento telefoną ar modemą reikia versti elektra. Dėl to tinkluose atsiranda siauruma, todėl inžinieriai visaip bando pradėti tiesiogiai, be jokios elektrinės tarpinės būsenos, perjunginėti šviesą.

   Gali būti, kad atsakymą surado Junji Tominaga ir jo kolegos - Tsukubos nacionalinio taikomojo mokslo ir technologijos instituto darbuotojai. Jie sugalvojo, kaip vieną šviesos pluoštelį priversti išnykti ir vėl pasirodyti veikiant kitam pluošteliui. Tominaga ir jo grupė atrado naująjį būdą eksperimentuodami su diskais, pagamintais iš tos pačios medžiagos kaip ir tradiciniai DVD. Jie išdegino lazeriu disko įrašo sluoksnio paviršiuje daug duobučių, kokios DVD yra naudojamos duomenims saugoti. Po to šį duobėtą sluoksnį padengė plona cinko sulfido ir amorfinio kvarco izoliacine plėvele. Galiausiai viskas buvo padengta apsaugine danga. Viso darinio storis tebuvo vos 250 nm - 400 mažiau nei žmogaus plauko storis.

   Po to Tominaga įjungė nukreiptų į tą patį disko tašką porą lazerių. Į disko viršų buvo šviečiama mėlyna šviesa, o kitas raudonas lazeris švietė į jį iš apačios. Svarbiausia, jie pastebėjo, kad, raudonojo lazerio galiai neviršijant 2,5 mW, diskas nebepraleisdavo mėlynojo lazerio šviesos. Bet, kai raudonojo lazerio spinduliuotė būdavo intensyvesnė, mėlynoji šviesa lengvai praeidavo. Anot Tominagos, mėlynojo lazerio šviesa sužadina aplinkui disko lydinio sluoksnyje išdegintas skylutes grupes elektronų. Šie plazmonais vadinami elektronai efektyviai kaupia mėlynojo lazerio šviesos energiją. Raudonasis lazeris, kai jo intensyvumas yra pakankamai didelis, sidabro oksido sluoksnyje sukuria sidabro atomų klasterius. Dėl kol kas Tominagai nesuprantamų priežasčių tie klasteriai išlaisvina plazmonų sukauptą energiją ir išsklaido mėlynąją šviesą. Sidabro klasteriai išsisklaido iškart, vos tik išjungus raudonąjį lazerį. Dabar Tominaga yra numatęs gaminti šiuo efektu grindžiamo optinio perjungiklio prototipą.

   Įsivaizduokite, ką galėtumėte padaryti su dažais, kuriuos manote esant lazeriu? Nudažius jais sienas ar kelio ženklus būtų apšviestos gatvės ir pagyvinta miestų iliuminacija.

   Galbūt ši idėja dar skamba fantastiškai, bet ji veikiai gali tapti realybe. 1999 m. dvi mokslininkų grupės, tyrusios naujus dažus, savo mišinių spinduliuojamos šviesos spektruose pastebėjo keistas smailes. Skirtingai nei fluorescuojantys dažai ar šviesą spinduliuojantys polimerai, naujosios medžiagos atrodė stiprinančios atskirus šviesos bangos ilgius ir verčiančios juos koherentiškais lazerio pluošteliais. "Visa tai buvo labai neįprasta", - sako Hui Cao iš Šiaurės vakarų universiteto Evanstone (JAV), kuris ir aptiko naująjį reiškinį. Dabar Costas Soukoulis, iš JAV Energetikos departamentui priklausančio Ames mokslinio centro, jau yra sukūręs Cao rezultatus paaiškinančią teoriją. Ši teorija patvirtina, jog patys dažai veikia lyg būtų lazeris.

   Tradicinį lazerį lyg sumuštinį sudaro du veidrodžiai, tarpas užpildytas dujomis, skysčiu arba kristaline medžiaga, kurių atomai yra "sužadintos" būsenos. Kai tokio atomo elektronas pereina į žemesnį energijos lygmenį, jis išspinduliuoja šviesos fotoną, pagaunamą rezonatoriuje tarp abiejų veidrodžių. Fotonas atsimušinėja nuo vieno ir kito veidrodžio ir laikas nuo laiko susiduria su kitais, pasiruošusiais "susižadinti" atomais. Tie atomai patys spinduliuoja savus fotonus, o jų fazės atitinka pirminio fotono fazę. Po daug tokių susidūrimų rezonatoriuje lakstančiame pluoštelyje atsiranda daug tokios pačios fazės fotonų ir jis virsta koherentiška arba lazerio šviesa.

   Paprastai inžinieriai stengiasi pašalinti iš rezonatoriaus bet kokias daleles, galinčias išsklaidyti fotonus prieš juos sustiprinant. Iš dalies būtent tokios taršos pašalinimas sąlygoja didelę lazerių kainą. Bet šiuo atveju būtent šviesą sklaidančioms dalelėms tenka ypatingai svarbus vaidmuo. Soukoulis nustatė, kad tos dalelės gali pačios tapti veidrodžiais, sulaikančiais fotonus dažų viduje tol, kol jie nepavirsta koherentiška šviesa. Tokie lazeriai, pavadinti atsitiktiniais (dėl atsitiktinio dalelių pasiskirstymo dažuose), yra daug paprastesni ir pigesni negu tradiciniai. Kaip ir kai kuriems tradiciniams lazeriams, atsitiktinių lazerių atomų sužadinimui reikalingas galingas išorinis šviesos šaltinis. Jie irgi gali spinduliuoti nemažą galią, tačiau galios tankis bus mažesnis, kadangi šviesa sklaidoma visomis kryptimis.

   Soukoulio modelis leidžia jam numatyti, kokio dydžio turi būti dalelės, kad įvairių spalvų dažus pavyktų paversti lazeriais. Dažai gaminami iš tų pačių medžiagų kaip ir tradiciniai lazeriai, pavyzdžiui, iš galio nitrido, bet jos dar sumaišomos su cinko ar titano oksido dažais, kurie gerai atlieka sklaidančiųjų dalelių vaidmenį.

   Mokslininkai mano, kad lazeriniais dažais reikėtų nudažyti dideliame gylyje dirbančius narus; taigi juos būtų galima lengviau pamatyti kilus pavojui. Be to, jie galėtų padaryti ryškesnius vaizdus plokščiuosiuose displėjuose. Cao taip pat tikisi, kad naujieji dažai galės būti panaudoti optinio ryšio tinkluose, jeigu tik pavyks taip suspausti išsklaidytąją šviesą, kad ji sklistų neprarasdama energijos optinėmis skaidulomis.

   Mėgdžiojant jūros sraiges, kurių dėka atsiranda perlai, pavyko sukurti naują "kvantinių taškų" - mažyčių puslaidininkinių medžiagų - sankaupų, gerai tinkančių naujos kartos lazeriams, gamybos technologiją. Kvantiniame taške būna vos po vieną du elektronus. Tuos į tašką įspraustus elektronus nesunku priversti spinduliuoti šviesą.

   Tokių darinių, turinčių vos po keletą elektronų, gamyba, yra labai sudėtinga. Pasirodo, kad jūros sraigės šį procesą yra puikiausiai įvaldžiusios. Šie sutvėrimai sukuria perlų užuomazgas išskirdami baltymus, sujungiančius kalcio karbonato grūdelius į labai vientisą darinį, kuris yra 3000 kartų kietesnis nei be baltymų pagalbos atsiradęs kalcio karbonatas.

   Reikia pakeisti kalcio karbonatą puslaidininkiu, ir kiekvienas šios medžiagos grūdelis virs idealiu kvantiniu tašku. Tatai pabandė padaryti Angela Belcher, Texaso universiteto Austine medžiagotyrininkė. Ji sukūrė analogiškus sraigių išskiriamiems baltymams peptidus. Šie peptidai surenka iš juos supančio tirpalo kalcio ir sieros jonus ir sujungia juos į kvantinius taškus.

   Belcher grupė susintezavo įvairius peptidus ir patikrino, kaip jie sukimba su puslaidininkinio kristalo paviršiumi. Buvo pasirinkti tie peptidai, kurie tai daro stipriausiai. Vienas iš jų labai stipriai prikibdavo prie kadmio sulfido, sudarydamas šios medžiagos kvantinius taškus. Po to Belcher įvedė šį peptidą į išorinę bakterijos ląstelės membraną, o pačias bakterijas patalpino tirpale su kadmio bei sieros šaltiniais. Kaip ir tikėtasi, ląstelių paviršiuje atsirado kadmio sulfido kvantiniai taškai, kurie, apšvietus juos lazeriu, pradėdavo švytėti.

   "Mes galime pasirinkti bakterijas, sugebančias auginti iš tirpalo kvantinius taškus", - sako Belcher. "Ši technologija gali padėti sukurti naujos kartos kvantinių taškų lazerius, tinkamus ultraspartiems optiniams prietaisams".

   Galbūt visai netrukus tąsūs kaip guma lazeriai skleis šviesą, prilygstančią pačių geriausių naktinių klubų iliuminacijai. Paprasčiausiai ištempus lazerį galima keisti jo spinduliuojamos šviesos spalvą nuo raudonos iki žalios su visais tarpiniais atspalviais. Tamprūs lazeriai gali gerokai išplėsti skaidulinių optinių ryšio linijų galimybes, nes kiekviena skaidula bus galima pasiųsti daugiau skirtingų bangos ilgių arba spalvų, kartu ir padidinti perduodamus informacijos srautus. Kai kurių lazerių spinduliuojamą bangos ilgį įmanoma šiek tiek paderinti, bet paprastai kiekvienai naujai spalvai tenka imti kitą lazerį. Naudoti vieną lazerį, kurio bangos ilgį galima greitai valdyti, būtų daug paprasčiau, greičiau ir pigiau.

   Lazeris turi dvi pagrindines savybes. Pirma, jam reikia atspindinčio rezonatoriaus, nuo kurio priešingų galų pirmyn ir atgal atsimušinėja šviesos pluošteliai. Viena galas šiek tiek praleidžia šviesos. Antra, reikia kaip nors priversti rezonatoriuje esančius atomus pereiti į sužadintą energetinę būseną. Tuomet rezonatoriuje jau esantys fotonai gali priversti tuos atomus paleisti to paties bangos ilgio fotonų liūtį, kuri plūstelės per pralaidžiąją rezonatoriaus sienelę kaip lazerio pluoštelis.

   Freiburgo (Vokietija) universiteto grupės sukurtame tampomame lazeryje rezonatoriaus galai padaryti iš tamprių skystojo kristalo medžiagos molekulių sluoksnių. Kiekvieno sluoksnio molekulės yra orientuotos kiek kitu kampu nei gretimų sluoksnių. Jos atrodo lyg spirališkų laiptų pakopos.

   Tie laiptai - tai atspindintis rezonatorius, kuriame šviesa atsispindi tiesiai tarp tos pačios orientacijos "pakopų". Mokslininkams pavyko apšviestos medžiagos atomus pervesti į sužadintą būseną, todėl jie ėmė spinduliuoti žalią 544 nm bangos ilgio spinduliuotę.

   Eksperimentatoriai naudojo ne vien skystąjį kristalą, bet ir elastomerą. Gautąją medžiagą galima tempti arba spausti, o paleista ji vėl grįžta į pradinę būseną. Ištempę medžiagą, jie pamatė, kad emituojamosios šviesos spalva drastiškai pakito - būdama žalia ji tapo raudona. Mokslininkai suprato, jog ištempę skystąjį kristalą jie pakeitė laiptų aukštį - visiško molekulių orientacijos apsisukimo periodą. Iš tiesų, dėl to rezonatorius pasidarė ilgesnis, todėl spinduliuojamos šviesos banga pailgėjo iki 630 nm.

   Mokslininkai aprašė gautus rezultatus žurnale "Advanced Materials" paskelbtame straipsnyje, o dabar stengiasi supaprastinti medžiagos gamybos technologiją, siekdami ją pritaikyti telekomunikacijų pramonėje. Be to, perderinami lazeriai visuomet buvo reikalingi moksliniams tyrimams, medicinai ar sensorių sistemoms.

   Kartu bendradarbiaudami Vokietijos ir JAV fizikai sukūrė lazerį, kuriame pirmą kartą spinduliavimo dažnis derinamas mechaniškai. Jo aktyvi lazerinė terpė yra labai tamprus skystojo kristalo polimeras, turintis sraigtinę molekulių išsidėstymo struktūrą. Lazeris ypatingas dar ir tuo, kad jame nėra veidrodžių - generuojamas spinduliavimas atspindimas nuo molekulinių struktūrų paviršių. Anksčiau atlikti tyrimai parodė, kad sraigtinės molekulių struktūros cholesterininiuose skystuosiuose kristaluose galima generuoti koherentinį spinduliavimą be būtinų lazerio elementų - išorinių veidrodžių. Šios molekulinės struktūros sudarytos iš eilės lygiagrečiai išdėstytų spiralių. Kai šviesa sklinda išilgai tokio skystojo kristalo, tai dėl periodiškai išdėstytų spiralinių struktūrų ir skysto kristalo dvejopo lūžio kombinacijos tam tikro bangos ilgio šviesa yra selektyviai atspindima.

   Vokiečių ir JAV fizikai tyrė šį efektą tam tikroje skystųjų kristalų grupėje - elastomeruose, kurie pasižymi labai dideliu tamprumu. Jie sintezavo cholesterininius skystuosius kristalus didindami juose sraigtines struktūras sudarančių molekulių koncentraciją ir įvesdami fluorescuojančius dažus, kurie padidindavo skystojo kristalo selektyvų atspindį. Mechaniškai deformuojant sukurtą naująjį kristalą, buvo keičiama sraigtinių struktūrų orientacija, kuri savo ruožtu keitė lazerio spinduliuotės bangos ilgį. Tokiu būdu, mechaniškai deformuojant lazerio kristalą - jį tempiant ar traukiant, buvo tolygiai derinamas lazerio spinduliavimo bangos ilgis. Atliktais eksperimentais, kaupinant matoma šviesa, fizikams pavyko mechaniškai derinti lazerio spinduliavimą nuo 544 nm iki 640 nm, tai yra nuo žalios iki raudonos šviesos. Manoma, kad šis labai paprastas lazerio spinduliavimo dažnio derinimo būdas bus plačiai pritaikytas optinių skaidulų ryšio sistemose.