Pączki ze światła i ich niezwykłe właściwości wreszcie można wykorzystać
Mowa o toroidalnych skyrmionach, czyli specjalnych strukturach pola elektromagnetycznego, które przybierają kształt przypominający właśnie pączka. Ich wyjątkowość nie polega na formie, ale na właściwościach wynikających z topologii. Ta sama zasada, która sprawia, że dętka rowerowa ma zawsze jeden otwór, czyni skyrmiony niezwykle odpornymi na zewnętrzne zakłócenia. Podczas gdy tradycyjne wiązki światła łatwo się rozpraszają, te świetlne wiry potrafią zachować swoją strukturę i zakodowaną w niej informację.
Czytaj też: Jedno włókno, a sto tysięcy tranzystorów na centymetr. Naukowcy wszyli komputer w nitkę
Ta stabilność stawia je w roli idealnych kandydatów do przenoszenia danych, a to szczególnie w obiecującym, ale kapryśnym zakresie fal terahercowych. Fale te niosą ogromny potencjał przepustowości, ale ich praktyczne wykorzystanie blokował brak metod na ich precyzyjne i odporne na zawirowania kodowanie. Przez lata kluczową przeszkodą było nie tylko wygenerowanie takich struktur w swobodnie przemieszczających się impulsach światła, ale również aktywne przełączanie się między ich różnymi stanami.
Zakres terahercowy od dawna określa się mianem luki terahercowej, bo obszaru częstotliwości, w którym teoretycznie da się przesłać ogromne ilości danych, ale praktycznie brakuje nam wygodnych, wydajnych narzędzi do generowania, modulowania i odbioru sygnału. Klasyczne rozwiązania elektroniczne przestają być tam efektywne, a typowe techniki optyczne są projektowane z myślą o znacznie wyższych częstotliwościach. Nowe urządzenie oparte na nieliniowej metapowierzchni uderza dokładnie w ten problem: z jednej strony korzysta z dojrzałej technologii ultrakrótkich impulsów laserowych w bliskiej podczerwieni, a z drugiej zaś wykorzystuje nanoskalowy wzór na metapowierzchni do przetłumaczenia tego sygnału na precyzyjnie uformowane impulsy terahercowe. Tym samym badacze proponują bardzo konkretną, fizycznie działającą platformę, która może stać się brakującym ogniwem między optyką a łącznością THz.
Jak naukowcy rozwiązali problem z przesyłaniem danych w zakresie terahercowym?
Przełom przyniosło urządzenie opracowane przez międzynarodowy zespół badaczy, które generuje i przełącza między dwoma typami wirów światła. Sercem tego rozwiązania jest nieliniowa metapowierzchnia, czyli ultracienki materiał pokryty mikroskopijnymi wzorami, który jest zdolny do manipulowania światłem w sposób niedostępny dla konwencjonalnej optyki. Urządzenie przekształca impulsy laserowe bliskiej podczerwieni w precyzyjnie dostrojone, terahercowe wiry o pożądanej strukturze.
Mechanizm jest elegancko prosty. To, czy wytworzony wir będzie miał charakter elektryczny, czy magnetyczny, zależy od wzorca polaryzacji światła lasera padającego na metapowierzchnię. Kontrolę nad tym parametrem zapewniają standardowe elementy optyczne, jak płytki falowe.
Wykorzystując proste elementy optyczne, takie jak płytki falowe i retardery wirowe do kontroli wzorca polaryzacji lasera wejściowego, jesteśmy w stanie stworzyć kompaktowe urządzenie aktywnie przełączające między dwoma odrębnymi topologicznymi stanami światła – wyjaśnia jeden z autorów publikacji w czasopiśmie Optica, Jiaguang Han.
Była to pierwsza eksperymentalna demonstracja takiego aktywnego przełączania w swobodnie propagującym świetle terahercowym. Działanie systemu potwierdzono za pomocą ultraszybkich pomiarów, które wyraźnie pokazały obecność obu rodzajów wirów.
Od laboratorium do praktycznych zastosowań. Czy to możliwe?
Dla przyszłego praktycznego zastosowania kluczowa jest nie sama możliwość wytworzenia skyrmionów, ale pełna kontrola nad nimi. Xueqian Zhang, kolejny członek zespołu, podkreśla, że ich urządzenie nie tylko generuje więcej niż jeden wzór, ale może się między nimi przełączać na żądanie, używając jednej zintegrowanej platformy. Taka sterowalność jest niezbędna, jeśli myślimy o realnym kodowaniu i przesyłaniu informacji, gdzie niezawodny wybór konkretnego stanu jest podstawą.
Czytaj też: Ten problem pogrążył specjalistów USA i ZSRR. Teraz Chiny zdradziły, jak go obejść
Yijie Shen widzi w tym kroku ku potraktowaniu przełączalnych skyrmionów jako w pełni sterowalnego narzędzia do odpornego kodowania danych. Technologia ta mogłaby zrewolucjonizować podejście do bezprzewodowej komunikacji terahercowej i fotonicznego przetwarzania informacji, umożliwiając tym samym tworzenie zaawansowanych obwodów optycznych. Jest to wizja na wyrost, ale badania konsekwentnie zmierzają w tym kierunku.
Co dalej z technologią świetlnych wirów?
Praca naukowców nie kończy się na udanej demonstracji. Obecnie specjaliści skupiają się na poprawie długoterminowej stabilności, powtarzalności i ogólnej wydajności swojego rozwiązania. Równolegle trwają prace nad miniaturyzacją całego systemu, co jest niezbędnym warunkiem komercjalizacji. Najciekawszym kierunkiem rozwoju wydaje się jednak rozszerzenie liczby sterowalnych stanów poza obecne dwa. Dodanie kolejnych ustawień wiru pozwoliłoby na znacznie bogatsze kodowanie informacji, podobnie jak przejście z systemu binarnego na system o większej liczbie wartości zwiększa możliwości przesyłu danych.
Czytaj też: Wszechświat ma swój niewidzialny szkielet. Astronomowie właśnie go zidentyfikowali
Perspektywa komunikacji o bezprecedensowej stabilności i ogromnej przepustowości jest niezwykle kusząca. Warto jednak pamiętać, że od sprawdzonego prototypu w laboratorium do masowo produkowanego chipu w naszym smartfonie droga jest zwykle długa i wyboista. Technologia skyrmionów świetlnych znajduje się dopiero na jej początku, ale pierwsze kroki są niezwykle obiecujące. Kto więc wie? Może za kilka lat nasze dane będą podróżowały w niezniszczalnych, świetlnych pączkach.