Burza w wiązce lasera: fizycy tworzą „lekkie huragany”, które mogą przenosić ogromne ilości danych

Większość współczesnego życia opiera się na kodowaniu informacji i sposobach ich przekazywania. Powszechną metodą jest kodowanie danych w świetle lasera i przesyłanie ich kablami optycznymi. Rosnące zapotrzebowanie na większą pojemność informacyjną wymaga ciągłego poszukiwania lepszych sposobów jej kodowania.

Naukowcy z Wydziału Fizyki Stosowanej Uniwersytetu Aalto znaleźli nowy sposób tworzenia maleńkich huraganów światła – znanych naukowcom jako wiry – które mogą przenosić informacje. Metoda opiera się na manipulowaniu nanocząsteczkami metali, które oddziałują z polem elektrycznym. Metoda projektowania, należąca do klasy geometrii znanych jako kwazikryształy, została wymyślona przez doktoranta Kristiana Arjasa i zrealizowana eksperymentalnie przez doktora Jani Taskinena, oboje z grupy dynamiki kwantowej profesora Päivi Törmä. Odkrycie stanowi fundamentalny krok naprzód w fizyce i niesie ze sobą potencjał w zakresie zupełnie nowych sposobów przesyłania informacji.

Połowa porządku i chaosu

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, jeżeli cząstki w nanoskali 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, tj. jakiego rodzaju wiry możemy generować przy jakich rodzajach symetrii. Nasz projekt kwazikryształu plasuje się w połowie drogi między porządkiem a chaosem” – mówi Törmä.

Dobre wibracje

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 adekwatnościach do zastosowań” – mówi Taskinen.

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 w tej chwili 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.

Wyniki badania opublikowano na początku listopada w czasopiśmie Nature Communications.