Ljudje svet doživljamo v treh dimenzijah, vendar je sodelovanje na Japonskem razvilo način za ustvarjanje sintetičnih razsežnosti za boljše razumevanje temeljnih zakonov vesolja in njihovo morebitno uporabo v naprednih tehnologijah.

Svoje rezultate so objavili danes (28. januarja 2022) v Napredek znanosti,

“Koncept dimenzionalnosti je v preteklih letih postal osrednja stalnica na različnih področjih sodobne fizike in tehnologije,” je dejal avtor prispevka Toshihiko Baba, profesor na oddelku za elektrotehniko in računalništvo na nacionalni univerzi Yokohama. “Medtem ko so bile raziskave o materialih in strukturah nižje razsežnosti plodne, je hiter napredek v topologiji odkril nadaljnjo obilico potencialno uporabnih pojavov, ki so odvisni od dimenzionalnosti sistema, celo presegajo tri prostorske dimenzije, ki so na voljo v svetu okoli nas.”

Topologija se nanaša na razširitev geometrije, ki matematično opisuje prostore z lastnostmi, ohranjenimi v neprekinjenem popačenju, kot je zasuk mobiusovega traku. V kombinaciji s svetlobo je po Babinem mnenju te fizične prostore mogoče usmeriti na način, ki omogoča raziskovalcem, da sprožijo zelo zapletene pojave.

V resničnem svetu, od črte do kvadrata do kocke, vsaka dimenzija zagotavlja več informacij, poleg tega pa zahteva več znanja, da jo natančno opišemo. V topološki fotoniki lahko raziskovalci ustvarijo dodatne dimenzije sistema, ki omogočajo več stopenj svobode in večplastno manipulacijo lastnosti, ki so bile prej nedostopne.

“Sintetične dimenzije so omogočile izkoriščanje visokodimenzionalnih konceptov v napravah nižje razsežnosti z zmanjšano kompleksnostjo, pa tudi spodbujanje kritičnih funkcionalnosti naprav, kot je optična izolacija na čipu,” je dejal Baba.

Obročasti resonator, izdelan s pomočjo silicijeve fotonike in moduliran znotraj, ustvarja frekvenčno lestvico. Zasluge: Nacionalna univerza Yokohama

Raziskovalci so izdelali sintetično dimenzijo na silicijevem obročnem resonatorju z uporabo enakega pristopa, ki se uporablja za izgradnjo komplementarnih kovinsko-oksidnih polprevodnikov (CMOS), računalniškega čipa, ki lahko shrani nekaj pomnilnika. Obročasti resonator uporablja vodila za nadzor in razdelitev svetlobnih valov glede na specifične parametre, kot so določene pasovne širine.

Po Babinem mnenju je fotonska naprava silicijevega obročnega resonatorja pridobila “glavniške” optične spektre, kar je povzročilo sklopljene načine, ki ustrezajo enodimenzionalnemu modelu. Z drugimi besedami, naprava je ustvarila merljivo lastnost – sintetično dimenzijo -, ki je raziskovalcem omogočila sklepanje informacij o preostalem sistemu.

Medtem ko razvita naprava obsega en obroč, bi jih bilo mogoče zložiti več za kaskadne učinke in hitro karakterizirati signale optične frekvence.

Kritično je Baba dejal, da je njihova platforma, tudi z zloženimi obroči, veliko manjša in kompaktna od prejšnjih pristopov, ki so uporabljali optična vlakna, povezana z različnimi komponentami.

»Bolj razširljiva platforma silicijevih fotonskih čipov zagotavlja znaten napredek, saj omogoča fotoniki s sintetičnimi dimenzijami, da izkoristijo zrelo in prefinjeno orodje za komercialno izdelavo CMOS, hkrati pa ustvarja sredstva za večdimenzionalne topološke pojave, ki se uvajajo v nove aplikacije naprav. ., je rekel Baba.

Prilagodljivost sistema, vključno z možnostjo, da ga po potrebi ponovno konfigurira, dopolnjuje enakovredne statične prostore v resničnem prostoru, kar bi lahko pomagalo raziskovalcem obiti dimenzijske omejitve resničnega prostora, da bi razumeli pojave tudi onkraj treh dimenzij, pravi Baba.

“To delo kaže možnost, da se fotonika topološke in sintetične dimenzije lahko uporablja praktično s platformo za integracijo silicijeve fotonike,” je dejal Baba. “Naprej nameravamo zbrati vse fotonske elemente topološke in sintetične dimenzije, da bi zgradili topološko integrirano vezje.”

Sklic: “Strukture sintetičnih dimenzij na fotonski platformi Si CMOS” 28. januar 2022, Napredek znanosti,
DOI: 10.1126/sciadv.abk0468

Drugi sodelavci so Armandas Balčytis in Jun Maeda, Oddelek za elektrotehniko in računalništvo, Nacionalna univerza Yokohama; Tomoki Ozawa, Napredni inštitut za raziskave materialov, Univerza Tohoku; ter Yasutomo Ota in Satoshi Iwamoto, Inštitut za nano kvantno informacijsko elektroniko, Univerza v Tokiu. Ota je prav tako povezan z Oddelkom za uporabno fiziko in fiziko-informatiko Univerze Keio. Iwamoto je prav tako povezan z Raziskovalnim centrom za napredno znanost in tehnologijo ter Inštitutom za industrijsko znanost Univerze v Tokiu.

Japonska agencija za znanost in tehnologijo (JPMJCR19T1, JPMJPR19L2), Japonsko društvo za promocijo znanosti (JP20H01845) in RIKEN so podprli to raziskavo.