μια νέα εποχή στην οπτική τεχνολογία

Μια διεθνής ερευνητική ομάδα από τη Σιγκαπούρη και την Ιαπωνία παρουσίασε ένα πρωτοποριακό σχέδιο που υπόσχεται να αλλάξει τον τρόπο με τον οποίο αντιλαμβανόμαστε και αξιοποιούμε το φως. Οι επιστήμονες κατάφεραν να σχεδιάσουν κρυστάλλους χωροχρόνου που αποτελούνται από περίπλοκες δομές φωτός σε μορφή κόμπων, γνωστές ως hopfions. Η ανακάλυψη αυτή ανοίγει νέους δρόμους για την αποθήκευση δεδομένων, τις επικοινωνίες και την επεξεργασία φωτονίων, προσφέροντας δυνατότητες που μέχρι χθες φάνταζαν επιστημονική φαντασία.

Οι hopfions είναι τρισδιάστατες τοπολογικές υφές, δηλαδή μοτίβα με εσωτερικές «σπείρες» που τυλίγονται σε κλειστούς, αλληλένδετους βρόχους. Αν και είχαν παρατηρηθεί στο παρελθόν σε μαγνητικά πεδία και σε ορισμένες μορφές φωτός, μέχρι τώρα εμφανίζονταν μεμονωμένα, σαν απομονωμένα αντικείμενα. Το καινούργιο στοιχείο της έρευνας είναι ότι οι επιστήμονες έδειξαν πώς μπορούν να οργανωθούν σε περιοδικά επαναλαμβανόμενα σύνολα, σαν άτομα που σχηματίζουν έναν κρύσταλλο. Μόνο που εδώ η διάταξη δεν επαναλαμβάνεται μόνο στο χώρο αλλά και στο χρόνο, δημιουργώντας κάτι που οι ίδιοι ονομάζουν «κρυστάλλους χωροχρόνου».

Το κλειδί για την επίτευξη αυτού του αποτελέσματος ήταν η χρήση ενός διχρωματικού φωτεινού πεδίου, αποτελούμενου από δύο διαφορετικές δέσμες με διαφορετική συχνότητα και αντίθετη κυκλική πόλωση. Η προσεκτική επικάλυψη αυτών των δεσμών δημιουργεί ένα «ψευδοσπιν», το οποίο εξελίσσεται με ρυθμό που μπορεί να ελεγχθεί. Όταν οι δύο χρωματικές συνιστώσες βρίσκονται σε συγκεκριμένη αναλογία, το φως πάλλεται με σταθερή περίοδο, σχηματίζοντας αλυσίδες hopfions που επαναλαμβάνονται σε κάθε κύκλο.

Από αυτή τη μονοδιάστατη «αλυσίδα» οι ερευνητές έδειξαν πώς μπορεί κανείς να προχωρήσει σε πιο σύνθετες δομές, με δυνατότητα ρύθμισης της τοπολογικής ισχύος τους. Ο αριθμός των φορών που οι εσωτερικοί βρόχοι τυλίγονται μπορεί να αυξηθεί ή να μειωθεί, ενώ ακόμη και το «πρόσημο» της διάταξης αντιστρέφεται απλώς με την αλλαγή της αναλογίας των μηκών κύματος. Οι προσομοιώσεις έδειξαν ότι τα παραγόμενα πεδία διατηρούν σχεδόν τέλεια τοπολογική ποιότητα όταν εξετάζονται σε μια πλήρη χρονική περίοδο.

Η μελέτη δεν περιορίζεται στη χρονική επανάληψη. Οι επιστήμονες προτείνουν έναν τρόπο για να δημιουργηθούν αληθινοί τρισδιάστατοι κρύσταλλοι hopfions, χρησιμοποιώντας πλέγματα μικροσκοπικών εκπομπών που ελέγχονται ώστε να έχουν την κατάλληλη φάση και πόλωση, όλα τροφοδοτημένα με δύο παρόμοια χρώματα φωτός. Το αποτέλεσμα είναι ένα συμμετρικό πλέγμα που χωρίζεται σε υπομονάδες με αντίθετη τοπική τοπολογία, αλλά που συνολικά διατηρεί καθαρό και περιοδικό μοτίβο. Προτείνονται μάλιστα πρακτικές υλοποιήσεις με χρήση διπολικών πλεγμάτων, μικροδομημένων κυματοδηγών ή ακόμη και κεραιών μικροκυμάτων.

Σε αντίθεση με προηγούμενες προσεγγίσεις, όπου τα hopfions στο φως εξαρτώνταν από τη διάδοση και τη διάθλαση της δέσμης, εδώ η δημιουργία τους γίνεται σε σταθερό επίπεδο, με την περιοδική συμβολή των δύο συχνοτήτων να αναλαμβάνει τον ρόλο της «μηχανής». Η ομάδα εξέτασε επίσης σε ποιες περιπτώσεις αυτές οι δομές μπορούν να διατηρηθούν ακόμη κι αν κινηθούν στο χώρο και πότε η διάχυση οδηγεί στην αποδόμησή τους.

Η σημασία της έρευνας είναι τεράστια. Στον τομέα της πληροφορικής, οι τοπολογικές υφές όπως οι skyrmions έχουν ήδη αλλάξει τον τρόπο με τον οποίο σκεφτόμαστε την αποθήκευση δεδομένων, χάρη στη σταθερότητά τους και στη δυνατότητα να μεταφέρουν πληροφορίες χωρίς σφάλματα. Οι hopfion κρύσταλλοι επεκτείνουν αυτό το «οπλοστάσιο» στον κόσμο του φωτός, ανοίγοντας το δρόμο για πολυδιάστατες κωδικοποιήσεις δεδομένων, πιο ανθεκτικές επικοινωνίες, νέες στρατηγικές παγίδευσης ατόμων και φρέσκες προοπτικές στις αλληλεπιδράσεις φωτός-ύλης.

«Η γέννηση των hopfion κρυστάλλων χωροχρόνου ανοίγει έναν νέο δρόμο για συμπαγείς και ανθεκτικές μεθόδους επεξεργασίας τοπολογικής πληροφορίας σε οπτικά, τεραχέρτζ και μικροκυματικά πεδία». Με άλλα λόγια, πρόκειται για ένα βήμα που θα μπορούσε να επηρεάσει όχι μόνο τη φυσική, αλλά και την τεχνολογία του μέλλοντος σε ό,τι αφορά την επικοινωνία, την αποθήκευση και τη διαχείριση δεδομένων.

[via]