Naukowcy tworzą wymiary syntetyczne, aby lepiej zrozumieć podstawowe prawa wszechświata

Ludzie doświadczają świata w trzech wymiarach, ale dzięki współpracy w Japonii opracowano metodę tworzenia wymiarów syntetycznych, aby lepiej zrozumieć podstawowe prawa wszechświata i być może zastosować je w zaawansowanych technologiach.

Swoje wyniki opublikowali dzisiaj (28 stycznia 2022 r.) o godz postęp naukowy.

„Koncepcja wymiarów stała się podstawą w różnych dziedzinach współczesnej fizyki i technologii w ostatnich latach” – powiedział autor artykułu Toshihiko Baba, profesor na Wydziale Inżynierii Elektrycznej i Komputerowej na Uniwersytecie Narodowym w Jokohamie. „Chociaż badania nad niskowymiarowymi materiałami i strukturami były owocne, szybki rozwój topologii ujawnił mnóstwo innych potencjalnie użytecznych zjawisk w zależności od wymiarów systemu, nawet przekraczając trzy dostępne wymiary przestrzenne w otaczającym nas świecie”.

Topologia odnosi się do rozszerzenia geometrii, która matematycznie opisuje przestrzenie o właściwościach zachowanych w ciągłym zniekształceniu, takim jak zniekształcenie wstęgi Möbiusa. W połączeniu ze światłem, według Baby, te fizyczne przestrzenie mogą być kierowane w sposób, który pozwala naukowcom tworzyć bardzo złożone 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 systemu, pozwalające na większe stopnie swobody i wieloaspektowe manipulowanie wcześniej niedostępnymi właściwościami.

„Sztuczne wymiary umożliwiły wykorzystanie koncepcji wyższych wymiarów w urządzeniach o niższych wymiarach i mniejszej złożoności, a także do zasilania krytycznych funkcji urządzenia, takich jak izolacja optyczna na chipie” – powiedział Papa.

Wewnętrznie zmodyfikowany rezonator cykliczny wykonany przy użyciu fotoniki krzemowej generuje drabinę częstotliwości. Źródło: Narodowy Uniwersytet Yokohama

Naukowcy stworzyli sztuczny wymiar na krzemowym rezonatorze pierścieniowym, stosując tę ​​samą technikę, którą zastosowano do budowy półprzewodników z komplementarnego 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 pasma.

Według Baby urządzenie optyczne krzemowego rezonatora pierścieniowego uzyskało „grzebieniowe” widma optyczne, w wyniku czego powstają pary modów zgodne z modelem jednowymiarowym. Innymi słowy, urządzenie wytworzyło wymierną właściwość – wymiar syntetyczny – który pozwolił naukowcom wywnioskować informacje o reszcie systemu.

Podczas gdy ulepszone urządzenie zawiera pojedynczą pętlę, więcej można łączyć w stos, aby uzyskać efekty kaskadowe, a sygnały częstotliwości optycznej są szybko rozróżniane.

Co najważniejsze, Baba powiedział, że ich platforma, nawet z ułożonymi w stos pętlami, jest znacznie mniejsza i kompaktowa niż poprzednie metody, w których stosowano światłowody połączone z różnymi komponentami.

„Bardziej skalowalna platforma krzemowych układów optycznych oferuje znaczne postępy, umożliwiając fotonice syntetyczno-wymiarowej korzystanie z wyrafinowanego i zaawansowanego zestawu narzędzi do komercyjnej produkcji CMOS, jednocześnie tworząc środki dla wielowymiarowych zjawisk topologicznych, które można wykorzystać w nowych zastosowaniach urządzeń” – powiedział Baba. .

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

„Ta praca pokazuje potencjał wykorzystania topologicznych i syntetycznych fotonów wymiarowych w praktyce z platformą integracyjną dla fotoniki krzemowej” – powiedział Baba. „Następnie planujemy zebrać wszystkie elementy optyczne zarówno o wymiarach topologicznych, jak i syntetycznych, aby zbudować zintegrowany układ topologiczny”.

Odniesienie: „Syntetyczne struktury pasm wymiarowych na platformie optycznej Si CMOS” 28 stycznia 2022 r. Dostępne tutaj postęp naukowy.
DOI: 10.1126 / sciadv.abk0468

Inni współpracownicy to Armandas Palitis i John Maeda z Wydziału Inżynierii Elektrycznej i Komputerowej Yokohama National University; Tomoki Ozawa, Zaawansowany Instytut Badań Materiałowych, Uniwersytet Tohoku; oraz Yasutomo Ota i Satoshi Iwamoto, Institute of Quantum Information Nanoelectronics, University of Tokyo. OTA jest również powiązana z Wydziałem Fizyki Stosowanej i Informatyki Fizycznej Uniwersytetu Keio. Iwamoto jest również powiązany z Centrum Zaawansowanych Badań Naukowych i Technologicznych oraz Instytutem Nauk Przemysłowych Uniwersytetu Tokijskiego.

Badania te były wspierane przez Japońską Agencję Nauki i Technologii (JPMJCR19T1, JPMJPR19L2), Japońskie Towarzystwo Promocji Nauki (JP20H01845) i RIKEN.