Topologista valon ohjausta ja THz-modulaatiota

Manchesterin yliopiston ja Penn State College of Engineeringin tutkijoiden vetämä tutkimus on kehittänyt viritettävän grafeenipohjaisen alustan, joka mahdollistaa vuorovaikutuksen tarkan hallinnan valon ja aineen välillä terahertsispektrissä (THz) paljastaakseen harvinaisia ilmiöitä, jotka tunnetaan poikkeuksellisina pisteinä.

He osoittivat tavan hallita THz-aaltoja, joten saavutus voisi edistää langattoman "beyond-5G" -teknologian kehittämistä nopeita viestintäverkkoja varten.

"Olemme osoittaneet uuden luokan optoelektronisia rakenteita käyttämällä topologian käsitteitä", sanoo Manchesterin Coskun Kocabas. "Käyttämällä poikkeuksellisia pistesingulariteettia osoitamme, että topologisia käsitteitä voidaan käyttää optoelektronisten laitteiden suunnitteluun, jotka mahdollistavat uusia tapoja käsitellä terahertsivaloa."

Poikkeukselliset pisteet ovat spektrisiä singulariteettejä – pisteitä, joissa mitkä tahansa kaksi spektriarvoa avoimessa järjestelmässä sulautuu yhteen. Ne ovat poikkeuksellisen herkkiä ja reagoivat pienimpiinkin järjestelmän muutoksiin, paljastaen omituisia mutta toivottavia ominaisuuksia, kertoo Penn Staten Şahin K. Özdemir.

"Poikkeuksellisessa vaiheessa järjestelmän energiamaisema muuttuu huomattavasti, mikä johtaa pienentyneeseen ulottuvuuteen ja vinoon topologiaan", sanoo Özdemir.

"Tämä puolestaan tehostaa järjestelmän reagointikykyä häiriöihin, muuttaa tilojen paikallistiheyttä, mikä lisää spontaanien emissioiden määrää ja johtaa lukuisiin ilmiöihin. Poikkeuksellisten pisteiden ja niissä tapahtuvien fysikaalisten prosessien hallinta voisi johtaa sovelluksiin paremmista antureista, kuvantamisesta, lasereista ja paljosta muuta."

Ennennäkemätön vaihemodulaatio THz-spektrissä

"Tämä työ on yksi harvoista tapauksista, joissa on osoitettu olevan poikkeuksellisia kohtia kahden eri fyysisen alkuperän omaavan tilan kytkennässä", Kocabas sanoi. "Poikkeuksellisten pisteiden topologian vuoksi havaitsimme terahertsivalon voimakkuuden ja vaiheen merkittävän modulaation, mikä voisi löytää sovelluksia seuraavan sukupolven THz-viestinnässä."

Kun tutkijat ohjaavat jännitettä ja säätävät resonanssia, he ajavat järjestelmän poikkeukselliseen pisteeseen ja sen yli. Ennen, ja jälkeen poikkeuksellisen pisteen järjestelmän geometriset ominaisuudet – topologia – muuttuu.

Yksi tällainen muutos on vaihemodulaatio. THz-aaltojen vaiheen ja amplitudin hallinta on teknologinen haaste, mutta heidän alustansa osoittaa ennennäkemättömän tason vaihemodulaatiota.

Tutkijat siirsivät järjestelmää poikkeuksellisten pisteiden läpi, samoin kuin silmukoita poikkeuksellisten pisteiden ympärillä eri suuntiin ja mittasivat, kuinka se reagoi. Riippuen järjestelmän topologiasta mittauspisteessä, vaihemodulaatio voi vaihdella nollasta suurimmillaan neljään magnitudiin. Muutokset voidaan saavuttaa sähköisellä ohjauksella.

Tutkijoiden mukaan grafeenipohjaisen alustan mahdollistamalla valo-aineen vuorovaikutusten topologisella ohjauksella poikkeuksellisen pisteen ympärillä on potentiaalisia sovelluksia topologisista optoelektronisista ja kvanttilaitteista fysikaalisten ja kemiallisten prosessien topologiseen ohjaukseen.

Aiheesta aiemmin:

Fotoniikkaa topologisesti

Topologia avuksi fotoniikkaan