Synteettisiä ulottuvuuksia hyödyntämään

Piifotoniikkaa käyttäen valmistettu ja sisäisesti moduloitu rengasresonaattori muodostaa taajuustikkaat.

Suurempi kuva

Ihminen kokee maailman kolmessa ulottuvuudessa, mutta tutkimusyhteistyö Japanissa on kehittänyt tavan luoda synteettisiä ulottuvuuksia, jotta voidaan ymmärtää paremmin maailmankaikkeuden peruslakeja ja mahdollisesti soveltaa niitä kehittyneisiin teknologioihin.

"Ulottuvuuden käsitteestä on tullut keskeinen väline nykyfysiikan ja teknologian eri aloilla viime vuosina", sanoi professori Toshihiko Baba Yokohaman kansallisen yliopiston sähkö- ja tietokonetekniikan osastolta.

"Vaikka alemman ulottuvuuden materiaaleja ja rakenteita koskevat tutkimukset ovat olleet hedelmällisiä, topologian nopea kehitys on paljastanut lisää potentiaalisesti hyödyllisiä ilmiöitä riippuen järjestelmän ulottuvuudesta, jopa ylittäen ympäröivän maailman kolme tilaulottuvuutta."

Topologialla tarkoitetaan geometrian laajennusta, joka kuvaa matemaattisesti tiloja, joiden ominaisuudet säilyvät jatkuvassa vääristymässä. Yhdistettynä valoon nämä fyysiset tilat voidaan Baban mukaan ohjata tavalla, joka mahdollistaa tutkijoiden saada aikaan erittäin monimutkaisia ilmiöitä.

Todellisessa maailmassa viivasta neliöön ja kuutioon jokainen ulottuvuus tarjoaa enemmän informaatiota ja vaatii enemmän tietämystä sen tarkkaan kuvaamiseen. Topologisessa fotoniikassa tutkijat voivat luoda järjestelmän lisäulottuvuuksia, jotka mahdollistavat enemmän vapausasteita ja monitahoisen ominaisuuksien manipuloinnin, joihin aiemmin ei ollut pääsyä.

"Synteettiset dimensiot ovat mahdollistaneet korkeamman ulottuvuuden konseptien hyödyntämisen pienempiulotteisissa laitteissa vähentyneellä monimutkaisuudella sekä ohjata kriittisiä laitetoimintoja, kuten sirulla olevaa optista erotusta", Baba kertoo.

Tutkijat valmistivat synteettisen ulottuvuuden piirengasresonaattorilla käyttämällä CMOS-rakenteita tietokonesiruun, joka voi tallentaa jonkin verran muistia. Rengasresonaattori ohjaa ja jakaa valoaaltoja tiettyjen parametrien, kuten tiettyjen kaistanleveyksien, mukaan.

Baban mukaan fotoninen piirengasresonaattorilaite sai aikaan kampamaisen optisen spektrin, mikä johti yksiulotteista mallia vastaaviin kytkettyihin moodeihin. Toisin sanoen laite tuotti mitattavissa olevan ominaisuuden - synteettisen ulottuvuuden - jonka avulla tutkijat pystyivät päättelemään informaatiota muusta osasta järjestelmää.

Järjestelmän joustavuus, mukaan lukien kyky konfiguroida se tarpeen mukaan, täydentää vastaavia staattisia tiloja todellisessa tilassa, mikä voisi auttaa tutkijoita ohittamaan reaalisen tilan ulottuvuuksien rajoitukset ymmärtääkseen kolmenkin ulottuvuuden ylittäviä ilmiöitä, Baban mukaan.

"Tämä työ osoittaa mahdollisuuden, että topologista ja synteettisen ulottuvuuden fotoniikkaa voidaan käyttää käytännössä piifotoniikan integrointialustan kanssa", Baba selittää. "Seuraavaksi aiomme kerätä kaikki topologiset ja synteettiset fotonielementit rakentaaksemme topologisen integroidun piirin."

Aiheesta aiemmin:

Fotonit taipuvat moneen

Yksisuuntainen radiotie synteettisellä Hall-efektillä

Synteettinen magnetismi ohjailee valoa