Новий хвилевід змінює спосіб передачі та маніпулювання даними

Концепція холодильника, який автоматично обробляє ваші покупки в магазині та сповіщає вас про прострочені продукти, може здатися захоплюючим поглядом у не таке вже й далеке майбутнє. Однак менш приваблива сторона Інтернету речей (IoT) полягає у величезних обсягах даних, які він генеруватиме, що вимагає їх зберігання та передачі між різними точками. Кожен хмарний сервер, незалежно від того, наскільки він віддалений, фізично десь існує, і дані повинні переміщатися з цього місця в інші області, навіть на самому сервері. Така передача даних потенційно може стати серйозною перешкодою для ефективності обробки даних.

Подібним чином штучний інтелект все більше стає повсякденною функцією, але він також вимагає великої кількості даних. Такі технології, як блокчейн, збільшене споживання медіа та віртуальна реальність, додадуть зростаючої хвилі повідомлень про помилки та сповіщень, які закликають нас збільшити ємність пам’яті та пропускну здатність передачі даних.

Спінтроніка — це галузь, яка досліджує спінові властивості електронів, і вона має потенціал революціонізувати зберігання та передачу даних, пропонуючи нові типи пристроїв пам’яті, які можуть зберігати дані більш ефективно. Подібним чином фотоніка може запропонувати більшу здатність, ніж традиційні технології, для кодування інформації про світлові фотони, використовуючи їхню поляризацію, схожу на спін для електронів, але лише якщо  ви можете цим керувати.

У дослідженні, опублікованому в журналі  Nature Nanotechnology, фізики з TMOS, Центру передового досвіду трансформаційних метаоптичних систем ARC, у тому числі помічники дослідників з Міського університету Нью-Йорка, Австралійського національного університету та Дослідницької лабораторії ВПС, розробили новий метод. для проектування метаповерхонь. Цей метод може створити електромагнітне обертання шляхом генерації нового типу фотонної моди в інноваційному хвилеводі, подібному до Дірака. Це просуває попередні дослідження передачі інформації з низькими втратами, які використовують передачу сигналу вздовж топологічних інтерфейсів.

Традиційно топологічні хвилеводи будуються з крутими краями між їх різними інтерфейсами. Ці краї створюють граничні моди — електромагнітні хвилі, які поводяться по-іншому там, де існують краї, ніж в об’ємі матеріалу. Ці граничні моди можна продуктивно використовувати багатьма способами, але вони мають лише один напрямок обертання й позбавлені контролю випромінювання.

Провідний дослідник, професор Олександр Б. Ханікаєв і його команда застосували новий підхід до метаповерхневих інтерфейсів. Замість жорсткого краю вони згладили межі, створивши поступовий зсув у плиту метаповерхні. Замість окремих форм, з’єднаних одна з одною, вони внесли невеликі варіації в дизайн, у цьому випадку візерунок з отворів, які утворюють повторювані шестикутники, тож форми поступово з’єднуються. Це породило абсолютно нові моди електромагнітних хвиль, яких раніше не було в метаповерхнях, з радіаційними властивостями, які дуже захоплюючі. На одній частоті можуть співіснувати дві моди з різним спіном, одна випромінює більше, ніж інша. Вражаючи метаповерхню лазером з круговою поляризацією, Кірюшечкіна та ін. змогли підібрати певний режим обертання.

Цей метод незабаром може призвести до можливості незалежно контролювати обертання обох режимів. Це створить бінарний ступінь свободи, що відкриває значні можливості для галузі спін-фотоніки та можливого розвитку систем зберігання даних, які використовують двійковий спін фотонів для кодування та маніпулювання інформацією.

Співавтор доктор Дарія Смірнова каже: «Експеримент з підтвердження концепції остаточно підтвердив наші теоретичні відкриття та моделювання. Досить цікаво, що цей ефект можна пояснити шляхом об’єднання формалізму Дірака зі зручною електродинамікою для опису випромінювальної природи розроблених мод».

Ханікаєв каже: «Можливість створити бінарну спіноподібну структуру світла на чіпі та можливість маніпулювати нею на вимогу відкриває справді захоплюючі можливості для кодування інформації в ній, особливо квантової інформації. Наша команда у співпраці з нашими колегами з TMOS і AFRL наразі працює над створенням квантових з’єднань на основі такого фотонного обертання, а також над елементарними операціями квантової логіки на кремнієвому фотонному чіпі. Таким чином, ми вважаємо, що в довгостроковій перспективі інтегровані фотонні системи Дірака можуть стати життєздатною платформою для інтегрованої квантової фотоніки».

Директор центру TMOS Драгомир Нешев каже: «Ця міжінституційна командна робота значно просунула сферу метаоптики. Це надзвичайне досягнення та яскравий приклад того, чому існують Центри передового досвіду. Вони сприяють обміну знаннями та досвідом у спосіб, який часто обмежений власними мережами дослідника. Я радий побачити, що буде далі від цих співавторів». Джерело