Humans experience the world in three dimensions, but a collaboration in Japan has developed a way to create synthetic dimensions to better understand the fundamental laws of the Universe and possibly apply them to advanced technologies.
Publicaron sus resultados hoy (28 de enero de 2022) en avances científicos.
"El concepto de dimensionalidad se ha convertido en un accesorio central en diversos campos de física y tecnología contemporánea en los últimos años", dijo el autor de documentos Toshihiko Baba, profesor en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad Nacional de Yokohama."Si bien las consultas sobre materiales y estructuras de dimensiones más bajas han sido fructíferos, los rápidos avances en topología han descubierto una mayor abundancia de fenómenos potencialmente útiles dependiendo de la dimensionalidad del sistema, incluso que van más allá de las tres dimensiones espaciales disponibles en el mundo que nos rodea".
La topología se refiere a una extensión de la geometría que describe matemáticamente los espacios con propiedades preservadas en distorsión continua, como el giro de una tira de Mobius.Cuando se combinan con la luz, según Baba, estos espacios físicos se pueden dirigir de una manera que permite a los investigadores inducir fenómenos altamente complicados.
En el mundo real, desde una línea hasta un cuadrado y un cubo, cada dimensión proporciona más información, así que requiere más conocimiento para describirlo con precisión.En la fotónica topológica, los investigadores pueden crear dimensiones adicionales de un sistema, lo que permite más grados de libertad y manipulación multifacética de propiedades previamente inaccesibles.
"Las dimensiones sintéticas han permitido explotar los conceptos de dimensiones más altas en dispositivos de baja dimensión con una complejidad reducida, así como impulsar las funcionalidades críticas del dispositivo, como el aislamiento óptico en chip", dijo Baba.
El resonador del anillo fabricado con fotónicos de silicio y modulado internamente genera una escalera de frecuencia.Crédito: Universidad Nacional de Yokohama
Los investigadores fabricaron una dimensión sintética en un resonador de anillo de silicio, utilizando el mismo enfoque utilizado para construir un óxido de metal-semiconductores (CMOS) complementarios, un chip de computadora que puede almacenar algo de memoria.Un resonador de anillo aplica guías para controlar y dividir las ondas de luz de acuerdo con parámetros específicos, como anchos de banda particulares.
Según BABA, el dispositivo fotónico de resonador de anillo de silicio adquirió un espectro óptico "tipo peine", lo que resulta en modos acoplados correspondientes a un modelo unidimensional.En otras palabras, el dispositivo produjo una propiedad medible, una dimensión sintética, que permitió a los investigadores inferir información sobre el resto del sistema.
Si bien el dispositivo desarrollado comprende un anillo, se podrían apilar más a los efectos en cascada y caracterizar rápidamente las señales de frecuencia óptica.
Críticamente, dijo Baba, su plataforma, incluso con anillos apilados, es mucho más pequeño y compacto que los enfoques anteriores, que emplearon fibras ópticas conectadas a varios componentes.
“Una plataforma de chips de silicio de silicio más escalable proporciona un avance considerable, ya que permite que la fotónica con dimensiones sintéticas se beneficie de la caja de herramientas de fabricación comercial de CMOS maduras y sofisticadas, al tiempo que crea los medios para que se introduzcan fenómenos topológicos multidimensionales en nuevas aplicaciones de dispositivos.", Dijo Baba.
La flexibilidad del sistema, incluida la capacidad de reconfigurarlo según sea necesario, complementa espacios estáticos equivalentes en el espacio real, lo que podría ayudar a los investigadores a evitar las limitaciones dimensionales del espacio real para comprender los fenómenos incluso más allá de las tres dimensiones, según Baba.
"Este trabajo muestra la posibilidad de que la fotónica de dimensiones topológicas y sintéticas pueda usarse prácticamente con una plataforma de integración de fotónica de silicio", dijo Baba."Luego, planeamos recopilar todos los elementos fotónicos de dimensión topológica y sintética para construir un circuito integrado topológico".
Referencia: "Estructuras de banda de dimensiones sintéticas en una plataforma fotónica SI CMOS" de Armandas balcytis, Tomoki Ozawa, Yasutomo Ota, Satoshi Iwamoto, Jun Maeda y Toshihiko Baba, 28 de enero de 2022, avances científicos.
Otros contribuyentes incluyen Armandas Balčytis y Jun Maeda, Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática, Universidad Nacional de Yokohama;Tomoki Ozawa, Instituto Avanzado de Investigación de Materiales, Universidad de Tohoku;y Yasutomo Ota y Satoshi Iwamoto, Instituto de Electrónica de Información Nano Quantum, Universidad de Tokio.OTA también está afiliada al Departamento de Física Aplicada y Fisico-Informática, Universidad de Keio.Iwamoto también está afiliado al Centro de Investigación de Ciencia y Tecnología Avanzadas y el Instituto de Ciencias Industriales, la Universidad de Tokio.
La Agencia de Ciencia y Tecnología de Japón (JPMJCR19T1, JPMJPR19L2), la Sociedad Japón para la Promoción de la Ciencia (JP20H01845) y Riken apoyaron esta investigación.
