Исследование, которое только что было опубликовано в журнале Science, возглавил Космас Цакмакидис, сначала в Университете Оттавы, а затем в Лаборатории бионанофотонных систем EPFL, управляемой Хатидже Алтуг, где исследователь сейчас проводит постдокторские исследования.Этот прорыв может оказать серьезное влияние на многие области техники и физики. Число потенциальных приложений почти бесконечно, и телекоммуникации, оптические системы обнаружения и сбор энергии в широкополосном диапазоне представляют собой лишь несколько примеров.
Отбросив взаимностьРезонансные и волноводные системы присутствуют в подавляющем большинстве оптических и электронных систем. Их роль состоит в том, чтобы временно накапливать энергию в виде электромагнитных волн, а затем высвобождать их. Более 100 лет назад эти системы сдерживались ограничением, которое считалось фундаментальным: продолжительность времени, в течение которого волна могла храниться, была обратно пропорциональна ее ширине полосы.
Это соотношение было интерпретировано как означающее, что невозможно хранить большие объемы данных в резонансных или волноводных системах в течение длительного периода времени, потому что увеличение полосы пропускания означало уменьшение времени хранения и качества хранения.Этот закон был впервые сформулирован К. С. Джонсоном в 1914 году в Western Electric Company (предшественнице Bell Telephone Laboratories). Он ввел понятие добротности, согласно которой резонатор может либо хранить энергию в течение длительного времени, либо иметь широкую полосу пропускания, но не то и другое одновременно.
Увеличение времени хранения означало уменьшение пропускной способности, и наоборот. Небольшая полоса пропускания означает ограниченный диапазон частот (или «цветов») и, следовательно, ограниченный объем данных.
До сих пор эта концепция никогда не подвергалась сомнению. Физики и инженеры всегда создавали резонансные системы — например, для производства лазеров, создания электронных схем и проведения медицинской диагностики — с учетом этого ограничения.Но это ограничение теперь в прошлом.
Исследователи придумали гибридную резонансную / волноводную систему, сделанную из магнитооптического материала, которая при приложении магнитного поля способна останавливать волну и сохранять ее в течение длительного периода, тем самым накапливая большое количество энергии. Затем, когда магнитное поле выключается, захваченный импульс высвобождается.С такими асимметричными и невзаимными системами можно было хранить волну в течение очень длительного периода времени, сохраняя при этом большую полосу пропускания. Обычный предел пропускной способности был даже превышен в 1000 раз.
Далее ученые показали, что теоретически в этих асимметричных (невзаимных) системах вообще нет верхнего предела этого предела.«Это был момент откровения, когда мы обнаружили, что эти новые структуры вообще не имеют никаких ограничений по времени. ведущий автор исследования. «Их превосходная емкость для хранения волн действительно может стать стимулом для целого ряда интересных приложений в различных современных и более традиционных областях исследований». — добавляет Хатидже Алтуг.Медицина, окружающая среда и телекоммуникацииОдно из возможных приложений — создание чрезвычайно быстрых и эффективных полностью оптических буферов в телекоммуникационных сетях.
Роль буферов заключается в временном хранении данных, поступающих в виде света через оптические волокна. Уменьшая объем данных, их легче обрабатывать. До сих пор качество хранения было ограниченным.С помощью этого нового метода можно будет улучшить процесс и хранить большие объемы данных в течение длительного времени.
Другие потенциальные применения включают встроенную спектроскопию, сбор широкополосного света и накопление энергии, а также широкополосную оптическую маскировку («маскировку невидимости»). «Сообщаемый прорыв является совершенно фундаментальным — мы даем исследователям новый инструмент. А количество приложений ограничено только воображением», — резюмирует Цакмакидис.