Naukowcy odkryli sposób zakodowania większej ilości danych w świetle poprzez tworzenie wirów świetlnych za pomocą kwazikryształów. Metoda ta może potencjalnie zwiększyć szybkość transmisji danych w światłowodach nawet 16-krotnie, co oznacza znaczny postęp w technologii telekomunikacyjnej.
Współczesne życie w dużej mierze opiera się na skutecznym kodowaniu informacji do transmisji. Powszechnie stosowana metoda polega na kodowaniu danych w świetle lasera i przesyłaniu ich za pomocą kabli światłowodowych. W miarę wzrostu zapotrzebowania na pojemność danych istotne staje się znalezienie bardziej zaawansowanych metod kodowania.
Przełom w tworzeniu lekkich wirów
Naukowcy z Wydziału Fizyki Stosowanej Uniwersytetu Aalto opracowali nowy sposób tworzenia maleńkich „huraganów” światła, zwanych wirami, które mogą przenosić informacje. Technika ta manipuluje metalowymi nanocząsteczkami, które oddziałują z polami elektrycznymi. Projekt, oparty na geometrii kwazikryształów, został wymyślony przez doktoranta Kristiana Arjasa i zrealizowany eksperymentalnie przez doktora Jani Taskinena, oboje członkowie grupy Quantum Dynamics profesora Päivi Törmä.
Ten przełom oznacza znaczny postęp w fizyce i daje nadzieję na innowacyjne podejścia do transmisji danych.
Badanie struktury wirów świetlnych
Wir przypomina w tym przypadku huragan pojawiający się w wiązce światła, gdzie spokojne i ciemne centrum jest otoczone pierścieniem jasnego światła. Podobnie jak oko huraganu jest spokojne, ponieważ wokół niego wiatry wieją w różnych kierunkach, tak oko wiru jest ciemne z powodu pola elektrycznego jasnego światła skierowanego w różne kierunki po różnych stronach wiązki.
Poprzednie badania fizyki powiązały, jakiego rodzaju wiry mogą się pojawiać, z poziomem symetrii w strukturze, która je wytwarza. Na przykład, jeśli cząstki w nanoskala są ułożone w kwadraty, wytwarzane światło ma pojedynczy wir; sześciokąty wytwarzają podwójny wir i tak dalej. Bardziej złożone wiry wymagają co najmniej ośmiokątnych kształtów.
Teraz Arjas, Taskinen i zespół odkryli metodę tworzenia kształtów geometrycznych, które teoretycznie wspierają każdy rodzaj wiru.
„Te badania dotyczą związku między symetrią a rotacją wiru, czyli jakie rodzaje wirów możemy wygenerować przy użyciu jakich rodzajów symetrii. Nasz projekt kwazikryształu znajduje się w połowie drogi między porządkiem a chaosem” – mówi Törmä.
Manipulowanie nanocząsteczkami w celu zaawansowanego przesyłania informacji
W swoim badaniu grupa zmanipulowała 100 000 metalicznych nanocząstek, każda o wielkości mniej więcej jednej setnej pojedynczego pasma ludzkiego włosa, aby stworzyć ich unikalny projekt. Kluczem było znalezienie miejsca, w którym cząstki oddziałują z pożądanym polem elektrycznym najmniej, a nie najwięcej.
„Pole elektryczne ma punkty gorące o wysokich wibracjach i miejsca, w których jest zasadniczo martwe. Wprowadziliśmy cząstki do martwych punktów, co wyłączyło wszystko inne i pozwoliło nam wybrać pole o najciekawszych właściwościach do zastosowań” – mówi Taskinen.
Perspektywy na przyszłość i wyzwania praktyczne
Odkrycie otwiera bogactwo przyszłych badań w bardzo aktywnej dziedzinie topologicznych badań światła. Stanowi także początek skutecznego sposobu przesyłania informacji w dziedzinach, w których do przesyłania zakodowanych informacji potrzebne jest światło, w tym w telekomunikacji.
„Moglibyśmy na przykład wysłać te wiry w dół kablami światłowodowymi i rozpakować je w miejscu przeznaczenia. Pozwoliłoby nam to przechowywać nasze informacje na znacznie mniejszej przestrzeni i przesyłać znacznie więcej informacji jednocześnie. Optymistycznie szacujemy, ile informacji byłoby od 8 do 16 razy większe niż informacje, które możemy obecnie dostarczyć za pośrednictwem światłowodu” – mówi Arjas.
Praktyczne zastosowania i skalowalność projektu zespołu prawdopodobnie zajmą lata inżynierii. Grupa Quantum Dynamics w Aalto ma jednak pełne ręce roboty w badaniach nad nadprzewodnictwem i ulepszaniem organicznych diod LED.
W swoich pionierskich badaniach grupa wykorzystała infrastrukturę badawczą OtaNano w zakresie technologii nano, mikro i kwantowych.
Odniesienie: „Lasowanie wysokich ładunków topologicznych w kwazikryształach” autorstwa Kristiana Arjasa, Jani Matti Taskinena, Rebeki Heilmann, Grazii Salerno i Päivi Törmä, 5 listopada 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-53952-5
