Мини-вихри света могут переносить огромные объемы данных

Исследователи разработали квазикристаллическую структуру, генерирующую световые мини-вихри, способные переносить огромные объемы данных. Она состоит из металлических наночастиц, очень точно расположенных для создания любого типа вихрей — путем взаимодействия с пучком света, находящимся в электрическом поле. Если применить эту структуру к оптическим волокнам, то она сможет передавать в 8-16 раз больше информации, чем существующие системы.

Передача информации в цифровую эпоху во многом основана на кодировании фотонных данных. В настоящее время оптоволокно является наиболее широко используемой инфраструктурой для этих целей. Однако растущий спрос на информационные мощности требует разработки систем, способных кодировать и передавать большие объемы данных.

В последние годы в качестве средства оптимизации фотонного транспорта информации изучаются световые вихри. Цель таких вихрей — манипулировать топологическими дефектами в свете, чтобы контролировать способ его отражения и информацию, которую он несет. В то время как некоторые топологические дефекты образуются спонтанно и повсеместно распространены в природе, другие могут возникать из-за симметрии в структуре материалов, с которыми взаимодействует свет. Это влияет на форму и структуру образующегося вихря.

Например, материалы со структурой в виде квадратов (или булыжников) генерируют простые вихри, шестиугольные — двойные и так далее. Более сложные вихри требуют как минимум восьмиугольных структур. Однако создание вихрей, достаточно сложных для кодирования данных, представляет собой серьезную проблему.

Новая разработка команды из Университета Аалто (Финляндия) преодолевает эти трудности и может генерировать вихри любого типа. «Это исследование посвящено взаимосвязи между симметрией и вращением вихря, т.е. какие типы вихрей могут быть сгенерированы с теми или иными типами симметрии. В нашем представлении квазикристалл находится на полпути между порядком и хаосом», — поясняет Пяйви Тёрмя, руководитель исследования, опубликованного в журнале Nature Communications.

На пути к телекоммуникационным инфраструктурам следующего поколения

Конструкция представляет собой квазикристалл, состоящий из металлических наночастиц. Как и классические кристаллы, квазикристаллы имеют дискретный дифракционный спектр, но, в отличие от классических кристаллов, их структура не является периодической. Для создания квазикристалла исследователи манипулировали 100 000 металлических наночастиц диаметром не более одной сотой человеческого волоса. Они взаимодействовали с пучком света в контролируемом электрическом поле.

Структура образовавшегося светового вихря сравнима с циклоном. В его центре находится спокойный темный «глаз», окруженный кольцом яркого света, состоящим из потоков, направленных в разные стороны. Чтобы определить оптимальное расположение для генерации сложных вихрей, команда применила контринтуитивный подход, заключающийся в определении точек, в которых частицы меньше всего взаимодействуют с электрическим полем.

«Электрическое поле имеет горячие точки сильных колебаний и точки, где оно практически не действует. Мы ввели частицы в мертвые зоны, что деактивировало все остальное и позволило нам выбрать поле с наиболее интересными свойствами для применения», — объясняет Яни-Матти Таскинен, соавтор исследования.

Эта техника позволяет настраивать узоры для создания сложных вихревых структур по мере необходимости. «Наша квазикристаллическая конструкция использует теорию групп для определения узлов электромагнитного поля, где плазмонные наночастицы располагаются для максимального усиления», — пишут эксперты в своей работе. Теория групп — это метод расчета, используемый для предсказания типа деформации, которой может подвергнуться структура материала.

Эти сложные вихри позволят хранить большие объемы информации в ограниченном пространстве. Их можно было бы транспортировать по оптическому волокну, а затем распаковывать, когда они достигнут места назначения. По оценкам команды, в лучшем случае эти волокна смогут переносить в 8-16 раз больше информации, чем это возможно в настоящее время.

Такой подход может проложить путь к новому поколению телекоммуникационных инфраструктур. Однако необходимые усовершенствования концепции для практического применения потребуют еще нескольких лет исследований, считают ученые.

Источник: new-science.ru