Valon ja sähkömagneettisten kenttien hallintaa

(14.11.2024) Topologinen fotoniikka on tutkimusala, jossa geometrisia ja topologisia ideoita hyödynnetään valon käyttäytymisen suunnittelussa ja ohjauksessa. Aalto yliopistossa aihetta on tutkittu tieteellisellä teemalla Korkean topologisen varauksen laserointi kvasikiteissä.

Professori Päivi Törmän johtaman Quantum Dynamics -tutkimusryhmän väitöskirjatutkijat Kristian Arjas ja Jani Taskinen ovat kehittäneet uuden geometrisen suunnittelumenetelmän, joka mahdollistaa fotonisten vorteksien luomisen. Tämä perustuu sähkömagneettisen kentän ja metallisten nanohiukkasten vuorovaikutukseen. Näin syntyneiden kvasikiteiden ja laseroinnissa syntyneiden vorteksien kautta voidaan koodata ja välittää informaatiota huomattavasti nykyistä tehokkaammin.

Vorteksi on valosäteessä esiintyvä hurrikaanin tapainen ilmiö, jossa kirkkaan valon rengas ympäröi rauhallista ja pimeää keskustaa, kuin hurrikaanin silmää. Tämä vorteksin silmä taas on pimeä, koska kirkkaan valon sähkökenttä osoittaa eri suuntiin säteen eri puolilla.

Tutkijat ovat aiemmin osoittaneet, että vorteksien ominaisuudet riippuvat niitä tuottavan rakenteen symmetriasta. Esimerkiksi neliöihin järjestetyt nanoskaalan hiukkaset tuottavat yhden vorteksin; kuusikulmainen rakenne tuottaa kaksoisvorteksin ja niin edelleen. Näitä monimutkaisempien vorteksien tuottaminen vaatii siis vähintään kahdeksankulmaisia rakenteita.

Nyt Arjas ja Taskinen ovat yhdessä muun tutkimusryhmän kanssa löytäneet menetelmän sellaisten geometristen muotojen luomiseen, jotka voivat teoriassa tuottaa lähes minkä tahansa tyyppisiä vortekseja.

"Tässä tutkimuksessa tarkastellaan vorteksin symmetrian ja rotaation välistä suhdetta, eli minkälaisia vortekseja voimme tuottaa minkälaisilla symmetrioilla. Kvasikiteemme on tavallaan puoliksi järjestystä ja puoliksi kaaosta," Törmä sanoo.

Löytö avaa uusia tutkimusmahdollisuuksia hyvin aktiivisella valon topologian tutkimusalueella. Se on myös varhainen askel tehokkaalle tavalle välittää tietoa kaikkialle, missä käytetään valoa koodatun informaation lähettämiseen, kuten esimerkiksi tietoliikenteessä.

“Voisimme esimerkiksi lähettää näitä vortekseja optisia kuitukaapeleita pitkin ja purkaa ne määränpäässä. Tämä voisi kasvattaa tiedonsiirtokapasiteettia jopa 8–16-kertaiseksi nykyiseen verrattuna”, Arjas sanoo.

Vaikka käytännön sovellukset ovat vielä vuosien päässä, Quantum Dynamics -ryhmä jatkaa aiheen parissa muun muassa superjohtavuuden ja orgaanisen LED-teknologian parissa.

Aiheesta aiemmin:

Pyörrevalolla vauhtia tiedonsiirtoon

Spinaaltoja nanoelektroniikkaan


Aiemmat uutiset

Ledejä maskittomaan fotolitografian ja eloisiin näyttöihin (13.11.2024)
Professori Haiding Sunin johtama Kiinan tiede- ja teknologiayliopiston (USTC) tiimi on kehittänyt pystysuoraan integroidun mikromittakaavan valodiodiryhmän (mikro-LED)..

Ehdotus suprajohtavuustutkimuksen edistämiseksi (12.11.2024)
Illinoisin yliopiston Chicagon jatko-opiskelijan suunnittelemat uudet materiaalit voivat auttaa tutkijoita kohtaamaan yhden nykypäivän suurimmista haasteista: rakentamaan..

Fotoneille vauhtia piissä luistelutyylillä (11.11.2024)
Luomalla valolle ja aineelle olla vuorovaikutuksessa uudella tavalla, Kalifornian Irvine yliopiston tutkijat ovat mahdollistaneet ultraohuiden piiaurinkokennojen..

Perovskiittisten aurinkokennojen uudet liitokset (09.11.2024)
Monoliittiset perovskiitti/pii-tandem-aurinkokennot ovat saavuttaneet äskettäin ennätysmäisiä tehomuunnostehokkuuksia (PCE) 34,6 %. Mutta useimmat tehokkaat tandemit..

Näin toimii koneoppiminen (09.11.2024)
Koneoppimisen käyttäminen lupaavien tutkimussuuntien tunnistamiseen on kasvava trendi materiaalitieteessä, koska se voi auttaa tutkijoita merkittävästi vähentämään..