Limitele de date pot fi șterse cu antene optice noi și „inele luminoase”

Cercetătorii de la Universitatea din California, Berkeley, au găsit o nouă modalitate de a valorifica proprietățile undelor de lumină care pot crește cantitatea de date pe care o transportă. Au demonstrat emisia de raze laser cu răsucire discretă de la antene formate din inele concentrice aproximativ egale cu diametrul unui fir de păr uman, suficient de mic pentru a fi plasat pe cipurile de computer. Credit: Amabilitatea imaginii Boubacar Kanté

Noile cercetări extind foarte mult cantitatea de informații care pot fi transmise simultan de la o singură sursă de lumină.

Cercetătorii de la Universitatea din California, Berkeley, au găsit o nouă modalitate de a utiliza proprietățile undelor de lumină care pot crește radical cantitatea de date pe care o dețin. Au demonstrat emisia de raze laser cu răsucire discretă de la antene formate din inele concentrice aproximativ egale cu diametrul unui fir de păr uman, suficient de mic pentru a fi plasat pe cipurile de computer.

Noua lucrare, raportată într-o lucrare publicată joi, 25 februarie 2021, în jurnal Fizica naturii, aruncă foarte deschis cantitatea de informații care poate fi multiplicată sau transmisă simultan, printr-o sursă de lumină coerentă. Un exemplu obișnuit de multiplexare este transmiterea de apeluri telefonice multiple pe un singur fir, dar au existat limite de bază pentru numărul de unde de lumină răsucite coerente care pot fi multiplexate direct.

“Este pentru prima dată când laserele care produc lumină răsucită sunt direct multiplexate”, a declarat cercetătorul principal al studiului Boubacar Kanté, profesor asociat Chenming Hu în cadrul Departamentului de Inginerie Electrică și Științe Calculatoare din UC Berkeley. “Am experimentat o explozie de date în lumea noastră, iar canalele de comunicare pe care le avem acum vor fi în curând insuficiente pentru ceea ce avem nevoie. Tehnologia despre care raportăm depășește limitele actuale ale capacității datelor printr-o” caracteristică a luminii numită impuls angular orbital Este un schimbător de jocuri cu aplicații în imagistica biologică, criptografie cuantică, comunicații de mare capacitate și senzori. “

Kanté, care este, de asemenea, un om de știință al Facultății de Știința Materialelor la Laboratorul Național Lawrence Berkeley (Laboratorul Berkeley), a continuat această activitate la UC Berkeley după ce a început cercetarea la UC San Diego. Primul autor al studiului este Babak Bahari, fost doctor. student în laboratorul Kanté.

Kanté a spus că metodele actuale de transmitere a semnalelor prin unde electromagnetice își ating limita. Frecvența, de exemplu, a devenit saturată, motiv pentru care există doar atât de multe posturi care pot fi reglate la radio. Polarizarea, unde undele luminoase sunt împărțite în două valori – orizontale sau verticale – pot dubla cantitatea de informații transmise. Producătorii de filme profită de acest lucru atunci când creează filme 3D, permițând spectatorilor cu ochelari specializați să primească două seturi de semnale – unul pentru fiecare ochi – pentru a crea un efect stereoscopic și iluzia de profunzime.

Utilizarea potențialului într-un vortex

Dar dincolo de frecvență și polarizare se află impulsul orbital unghiular, sau OAM, o proprietate a luminii care a atras atenția oamenilor de știință, deoarece oferă o capacitate exponențial mai mare de transmitere a datelor. Un mod de a gândi despre OAM este să-l comparați cu vârtejul unei tornade.

„Vortexul în lumină, cu infinitele sale grade de libertate, poate susține în principiu o cantitate nelimitată de date”, a spus Kanté. „Provocarea a fost să găsim o modalitate de a produce în mod fiabil numărul infinit de grinzi OAM. Nimeni nu a produs vreodată grinzi OAM cu sarcini atât de mari într-un dispozitiv atât de compact. ”

Cercetătorii au început cu o antenă, una dintre cele mai importante componente ale electromagnetismului și, au remarcat, central pentru viitoarele tehnologii continue 5G și 6G. Antenele din acest studiu sunt topologice, ceea ce înseamnă că proprietățile lor esențiale sunt păstrate chiar și atunci când dispozitivul este răsucit sau îndoit.

Crearea inelelor de lumină

Pentru a realiza antena topologică, cercetătorii au folosit litografii cu fascicule de electroni pentru a grava un model de grilă pe indiu fosforic arsenid galiu, un material semiconductor, și apoi au legat structura de o suprafață din granat de fier jtrium. Cercetătorii au proiectat rețeaua pentru a forma puțuri cuantice într-un model de trei circuite concentrice – cel mai mare cu aproximativ 50 microni în diametru – pentru a bloca fotonii. Designul a creat condiții pentru a susține un fenomen cunoscut sub numele de efect fotonic cuantic Hall, care descrie mișcarea fotonilor atunci când este aplicat un câmp magnetic, forțând lumina să circule doar într-o singură direcție în inele.

“Oamenii au crezut că efectul cuantic Hall cu un câmp magnetic ar putea fi utilizat în electronică, dar nu și în optică din cauza magnetismului slab al materialelor existente la frecvențe optice”, a spus Kanté. „Suntem primii care arată că efectul cuantic Hall funcționează pentru lumină”.

Aplicând un câmp magnetic perpendicular pe microstructura lor bidimensională, cercetătorii au generat cu succes trei raze laser OAM care se deplasează pe orbite circulare deasupra suprafeței. Studiul a mai arătat că fasciculele laser aveau numere cuantice de până la 276, referindu-se la numărul de rotații ale luminii în jurul axei sale la o lungime de undă.

„A avea un număr cuantic mai mare este ca și cum ai avea mai multe litere de utilizat în alfabet”, a spus Kanté. „Permitem luminii să-și extindă vocabularul. În studiul nostru, am demonstrat această capacitate în lungimea de undă a telecomunicațiilor, dar, în principiu, se poate adapta la alte benzi de frecvență. Deși am creat trei lasere, înmulțind rata de date cu trei, nu există nicio limită pentru numărul potențial de fascicule și capacitatea de date. ”

Kanté a spus că următorul pas în laboratorul său este realizarea inelelor cuantice Hall care utilizează electricitatea ca surse de energie.

Referință: 25 februarie Fizica naturii.
DOI: 10.1038 / s41567-021-01165-8

Această cercetare a fost susținută în principal de Biroul de cercetare marină, Fundația Națională pentru Științe și Programul de Cercetare și Dezvoltare a Laboratorului Berkeley Lab.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Nanofibrele centrifugale multifuncționale pun un nou efect asupra măștilor COVID-19

Figura (A) Ilustrația schematică a procesului de producție a nanofibrelor polimerului centrifug polimer multispinning. (B) Nanofibrele polimerice sunt rotite de sistem. O...

Arheologii găsesc dovezi din monumentele de câini domestici din Peninsula Arabică Antică

Situat în regiunea tărâmurilor Alula, în nord-vestul Arabiei Saudite, acest cimitir este acum rar construit pe pământ pentru Arabia Neolitică-Calcolitică și este un ajutor...

Pe măsură ce straturile de gheață s-au topit, nivelul mării a crescut până la 18 metri

Se știe că creșterea nivelului mării datorită schimbărilor climatice este o amenințare majoră. Noile cercetări au arătat că evenimentele anterioare de pierdere a...

Oamenii de știință identifică genele umane care luptă împotriva infecției cu SARS-CoV-2

Vedere microscopică a coronavirusului. Credit: Yeti punctat Cercetările indică controlul genelor care stimulează interferonul SARS-CoV-2 Copie Oamenii de știință de la Sanford Burnham Prebis au...

Noua tehnică „Mașina timpului” dezvăluită pentru măsurarea celulei

Celulele dendritice (roșii / verzi co-colorate) într-un folicul limfoid (fragment de peyer) drenează intestinul (albastru). Credit: Wang Cao și Shengbo Zhang, WEHI Utilizând o...

Newsletter

Subscribe to stay updated.