Naukowcy tworzą wymiary syntetyczne, aby lepiej zrozumieć podstawowe prawa wszechświata

Ludzie doświadczają świata w trzech wymiarach, ale współpraca w Japonii pozwoliła stworzyć wymiary syntetyczne, aby lepiej zrozumieć fundamentalne prawa wszechświata i ewentualnie zastosować je w zaawansowanych technologiach.

Swoje wyniki opublikowali dzisiaj (28 stycznia 2022 r.) w Postępy w nauce.

„Koncepcja wymiarowości stała się centralnym elementem w różnych dziedzinach współczesnej fizyki i technologii w ostatnich latach” – powiedział autor artykułu Toshihiko Baba, profesor na Wydziale Inżynierii Elektrycznej i Komputerowej Yokohama National University. „Chociaż badania dotyczące materiałów i struktur o niższych wymiarach były owocne, szybki postęp w topologii odkrył dalsze bogactwo potencjalnie użytecznych zjawisk w zależności od wymiarowości systemu, a nawet wykraczające poza trzy wymiary przestrzenne dostępne w otaczającym nas świecie”.

Topologia odnosi się do rozszerzenia geometrii, które matematycznie opisuje przestrzenie o właściwościach zachowanych w ciągłym zniekształceniu, takim jak skręt paska Mobiusa. W połączeniu ze światłem, według Baby, te fizyczne przestrzenie mogą być kierowane w sposób, który pozwala naukowcom wywoływać bardzo skomplikowane zjawiska.

W prawdziwym świecie, od linii, przez kwadrat, po sześcian, każdy wymiar dostarcza więcej informacji, a także wymaga większej wiedzy, aby go dokładnie opisać. W fotonice topologicznej naukowcy mogą tworzyć dodatkowe wymiary układu, co pozwala na większą swobodę i wieloaspektową manipulację właściwościami wcześniej niedostępnymi.

„Wymiary syntetyczne umożliwiły wykorzystanie koncepcji wyższych wymiarów w urządzeniach o niższych wymiarach o zmniejszonej złożoności, a także sterowanie krytycznymi funkcjami urządzeń, takimi jak izolacja optyczna na chipie”, powiedział Baba.

Rezonator pierścieniowy wykonany przy użyciu fotoniki krzemowej i modulowany wewnętrznie generuje drabinę częstotliwości. Źródło: Narodowy Uniwersytet Yokohama

Naukowcy wyprodukowali syntetyczny wymiar na krzemowym rezonatorze pierścieniowym, stosując to samo podejście, które zastosowano do budowy komplementarnych półprzewodników z tlenku metalu (CMOS), chipa komputerowego, który może przechowywać pewną ilość pamięci. Rezonator pierścieniowy stosuje prowadnice do sterowania i rozdzielania fal świetlnych zgodnie z określonymi parametrami, takimi jak określone szerokości pasma.

Według Baby, fotoniczne urządzenie z krzemowym rezonatorem pierścieniowym uzyskało „grzebieniowe” widma optyczne, w wyniku czego otrzymano sprzężone mody odpowiadające modelowi jednowymiarowemu. Innymi słowy, urządzenie wytworzyło wymierną właściwość — wymiar syntetyczny — który pozwolił naukowcom wywnioskować informacje o reszcie systemu.

Chociaż opracowane urządzenie składa się z jednego pierścienia, więcej można by połączyć w kaskadę i szybko scharakteryzować sygnały o częstotliwości optycznej.

Co ważne, powiedział Baba, ich platforma, nawet z ułożonymi w stos pierścieniami, jest znacznie mniejsza i kompaktowa niż poprzednie podejścia, w których stosowano światłowody połączone z różnymi komponentami.

„Bardziej skalowalna platforma krzemowych układów fotonicznych zapewnia znaczny postęp, ponieważ umożliwia fotonice o wymiarach syntetycznych czerpanie korzyści z dojrzałego i wyrafinowanego zestawu narzędzi CMOS do komercyjnej produkcji, jednocześnie tworząc środki do wprowadzania wielowymiarowych zjawisk topologicznych do nowatorskich zastosowań urządzeń Baba powiedział.

Według Baby elastyczność systemu, w tym możliwość jego rekonfiguracji w razie potrzeby, uzupełnia równoważne przestrzenie statyczne w rzeczywistej przestrzeni, co może pomóc naukowcom ominąć ograniczenia wymiarowe rzeczywistej przestrzeni i zrozumieć zjawiska nawet poza trzema wymiarami.

„Ta praca pokazuje możliwość praktycznego wykorzystania fotoniki o wymiarach topologicznych i syntetycznych z platformą integracji fotoniki krzemowej” – powiedział Baba. „Następnie planujemy zebrać wszystkie elementy fotoniczne o topologicznych i syntetycznych wymiarach, aby zbudować topologiczny układ scalony”.

Odniesienie: „Struktury pasmowe o wymiarach syntetycznych na platformie fotonicznej Si CMOS” 28 stycznia 2022 r., Postępy w nauce.
DOI: 10.1126/sciadv.abk0468

Inni współpracownicy to Armandas Balčytis i Jun Maeda z Wydziału Inżynierii Elektrycznej i Komputerowej Yokohama National University; Tomoki Ozawa, Zaawansowany Instytut Badań Materiałowych, Uniwersytet Tohoku; oraz Yasutomo Ota i Satoshi Iwamoto z Instytutu Elektroniki Nano Kwantowej Informatyki Uniwersytetu Tokijskiego. Ota jest również związany z Wydziałem Fizyki Stosowanej i Fizyko-Informatyki Uniwersytetu Keio. Iwamoto jest również powiązany z Centrum Badawczym Zaawansowanej Nauki i Technologii oraz Instytutem Nauk Przemysłowych Uniwersytetu Tokijskiego.

Badania te wsparły Japońska Agencja Nauki i Technologii (JPMJCR19T1, JPMJPR19L2), Japońskie Towarzystwo Promocji Nauki (JP20H01845) i RIKEN.