Datové limity mohou zmizet s novými optickými anténami – „světelné kroužky“

Vědci z Kalifornské univerzity v Berkeley našli nový způsob řízení vlastností světelných vln, který by mohl radikálně zvýšit množství dat, která přenášejí. Ukázali vyzařování diskrétních laserových paprsků z antén sestávajících ze soustředných prstenců přibližně stejných jako průměr lidských vlasů, dostatečně malých na to, aby mohly být umístěny na počítačových čipech. Půjčka Obrázek Boubacar Kanté

Nový výzkum odhaluje nepřeberné množství informací, které lze přenášet současně jediným zdrojem světla.

Výzkumní pracovníci: University of California, Berkeley, našli nový způsob, jak potlačit vlastnosti světelných vln, což může radikálně zvýšit množství dat, která přenášejí. Ukázali vyzařování diskrétních laserových paprsků z antén sestávajících ze soustředných prstenců přibližně stejných jako průměr lidských vlasů, dostatečně malých na to, aby mohly být umístěny na počítačových čipech.

Nová práce je uvedena v článku publikovaném v časopise čtvrtek 25. února 2021 Fyzika přírody, široce odhaluje množství informací, které lze násobit nebo přenášet současně se světelným zdrojem. Běžným příkladem multiplexování je přenos více telefonních hovorů po jediném drátu, ale existovala základní omezení počtu svinutých světelných vln, které bylo možné přímo násobit.

„Je to poprvé, co se lasery, které produkují zkroucené světlo, přímo množily,“ řekl Bubacar Kante, hlavní výzkumný pracovník na Kalifornské univerzitě v Berkeley’s Department of Electrical and Computer Science. „V našem světě došlo k explozi dat. Komunikační prostředky, které máme, pro nás brzy nebudou dostatečné. Naše technologie překračuje aktuální limity datového výkonu s charakteristikou světla zvanou orbitální moment hybnosti. „Jedná se o herní měnič využívající biologické snímky, kvantovou kryptografii, vysoce výkonné komunikační senzory.“

Kante, který je vědeckým pracovníkem na Katedře materiálových věd v Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Laboratory), pokračuje ve své práci v Berkeley po zahájení výzkumu na UC San Diego. Prvním autorem studie je Babak Bahari, bývalý doktorand v Kanteho laboratoři.

Kante uvedl, že současné metody přenosu signálů elektromagnetickými vlnami dosahují svých limitů. Například frekvence je nasycená, takže existuje jen tolik stanic, které lze připojit rádiem. Nahrávání, kdy jsou světelné vlny rozděleny na dvě hodnoty, horizontální nebo vertikální, může zdvojnásobit množství přenášených informací. Tvůrci filmu jej používají k vytváření 3D filmů a umožňují divákům se speciálními brýlemi přijímat dvě sady signálů, jednu pro každé oko, stereoskopický efekt, který vytváří iluzi hloubky.

Využití potenciálu ve víru

Kromě načítání kmitočtů և existuje orbitální moment hybnosti neboli OAM, vlastnost světla, která upoutala pozornost vědců, protože nabízí exponenciálně větší kapacitu pro přenos dat. Jedním ze způsobů, jak přemýšlet o OAM, je porovnat jej s vichřicí.

„Vír světla s jeho nekonečným stupněm volnosti může v zásadě poskytnout nekonečné množství dat,“ řekl Kante. „Úkolem bylo najít způsob, jak spolehlivě vyrobit nekonečné množství paprsků OAM. Nikdo nikdy nevyrobil tak vysoce nabitý paprsek OAM v tak kompaktním zařízení. “

Vědci začali používat anténu, jednu z nejdůležitějších složek elektromagnetismu, která je podle nich ústřední pro současné technologie 5G a nadcházející 6G. Antény v této studii jsou lokální, což znamená, že jejich základní vlastnosti jsou zachovány, i když je zařízení zkroucené nebo ohnuté.

Vytváření světelných prstenů

Aby vytvořili topografickou anténu, vědci vykopali vzorek mřížky s elektronovou paprskovou litografií do polovodičového materiálu fosfidu arsenidu india a galium a poté připevnili strukturu k povrchu vyrobenému z železného granátu yttria. Vědci navrhli síť tak, aby vytvořila kvantové jámy se třemi soustřednými kruhy, z nichž největší mají průměr asi 50 mikronů, aby zachytily fotony. Návrh vytvořil podmínky pro podporu jevu zvaného efekt fotonové kvantové komory, který popisuje pohyb fotonů pomocí magnetického pole, což nutí světlo pohybovat se v prstencích pouze jedním směrem.

„Lidé si mysleli, že účinek magnetického pole kvantové komory lze použít v elektronice, ale ne v optice, kvůli slabému magnetismu materiálů v optických frekvencích,“ řekl Kante. „Jsme první, kdo ukázal, že kvantový Hallův efekt funguje pro světlo.“

Pomocí magnetického pole kolmého na jejich dvourozměrnou mikrostrukturu vědci úspěšně vygenerovali tři laserové paprsky OAM, které kroužily v kruhových drahách nad povrchem. Studie dále ukázala, že laserové paprsky měly až 276 kvantových čísel, což byl počet otáček světla kolem své osy během jedné vlnové délky.

„Mít větší kvantové číslo je jako mít více písmen v abecedě,“ řekla Kante. „Umožňujeme světlu rozšířit slovní zásobu. V naší studii jsme tuto schopnost ukázali v telekomunikačních vlnových délkách, ale v zásadě ji lze přizpůsobit jiným frekvenčním pásmům. „I kdybychom vytvořili tři lasery vynásobením rychlosti dat třemi, neexistuje žádné omezení množství záření – síla dat.“

Kante řekl, že dalším krokem pro jeho laboratoř bylo vytvořit v místnosti kvantové prstence, které jako zdroj energie používají elektřinu.

Odkaz. 25. února Fyzika přírody,
DOI: 10.1038 / s41567-021-01165-8:

Tento výzkum byl primárně podporován Naval Research Office a National Science Foundation հետազոտ Berkeley Lab Research Center և Development Program.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Líheň je otevřená, stanici zabírá 10 členů posádky

Nově přidaný personál stanice, který se skládal z 10 členů, se shromáždil v servisní jednotce Zvezda, aby uspořádali uvítací ceremoniál s rodinnými příslušníky a...

Chronické virové infekce mohou mít hluboký trvalý účinek na imunitu člověka, podobně jako stárnutí

Analýza topologie sítě funkce imunitního systému představující desítky integrovaných buněčných odpovědí, které jsou během odstraňování viru hepatitidy C u lidí obráceny. Zkoumané signální...

Byly odhaleny bizarní dýchací orgány 450 milionů let starých mořských živočichů

Zápočet: UCR Trilobité měli při dýchání jednu nohu Nová studie našla první důkazy o vysoce vyvinutých dýchacích orgánech u mořských živočichů starých 450 milionů let. ...

“Čmáranice světla” v reálném čase

Vědci z Tokijské metropolitní univerzity vyvinuli zjednodušený algoritmus pro převod volně nakreslených čar na standardním stolním procesoru na hologramy. Dramaticky snižují náklady na...

Mineralogie hluboké kůry Země pohání hotspoty pro domácí život

Tým DeMMO Field zleva doprava: Lily Mumper, Britney Kruger a Caitlin Cesar vzorky zlomenin z vrtné soupravy DeMMO. Kredit: © Matt Kapost Pod zeleným...

Newsletter

Subscribe to stay updated.