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.
Eles publicaram seus resultados hoje (28 de janeiro de 2022) nos avanços da ciência.
"O conceito de dimensionalidade tornou -se um elemento central em diversos campos de física e tecnologia contemporânea nos últimos anos", disse o autor Toshihiko Baba, professor do Departamento de Engenharia Elétrica e Computação da Universidade Nacional de Yokohama."Embora as investigações sobre materiais e estruturas de menor dimensão tenham sido proveitosos, os rápidos avanços na topologia descobriram uma abundância adicional de fenômenos potencialmente úteis, dependendo da dimensionalidade do sistema, mesmo indo além das três dimensões espaciais disponíveis no mundo ao nosso redor".
A topologia refere -se a uma extensão da geometria que descreve matematicamente espaços com propriedades preservadas em distorção contínua, como a reviravolta de uma faixa de Mobius.Quando combinados com a luz, de acordo com Baba, esses espaços físicos podem ser direcionados de uma maneira que permita aos pesquisadores induzir fenômenos altamente complicados.
No mundo real, de uma linha a um quadrado a um cubo, cada dimensão fornece mais informações, além de exigir mais conhecimento para descrevê -la com precisão.Na fotônica topológica, os pesquisadores podem criar dimensões adicionais de um sistema, permitindo mais graus de liberdade e manipulação multifacetada de propriedades anteriormente inacessíveis.
"As dimensões sintéticas tornaram possível explorar conceitos de alta dimensão em dispositivos de menor dimensão com complexidade reduzida, além de impulsionar as funcionalidades críticas do dispositivo, como o isolamento óptico no chip", disse Baba.
O ressonador de anel fabricado usando fotônicos de silício e modulado gera internamente uma escada de frequência.Crédito: Universidade Nacional Yokohama
Os pesquisadores fabricaram uma dimensão sintética em um ressonador de anel de silício, usando a mesma abordagem usada para construir o óxido de metal-semicondutores complementares (CMOs), um chip de computador que pode armazenar alguma memória.Um ressonador de anel aplica guias para controlar e dividir ondas de luz de acordo com parâmetros específicos, como larguras de banda específicas.
Segundo Baba, o dispositivo fotônico de ressonador de anel de silício adquiriu um espectro óptico "tipo pente", resultando em modos acoplados correspondentes a um modelo unidimensional.Em outras palavras, o dispositivo produziu uma propriedade mensurável - uma dimensão sintética - que permitiu aos pesquisadores inferir informações sobre o restante do sistema.
Enquanto o dispositivo desenvolvido compreende um anel, mais pode ser empilhado com os efeitos em cascata e caracterizar rapidamente os sinais de frequência óptica.
Criticamente, disse Baba, sua plataforma, mesmo com anéis empilhados, é muito menor e compacta do que as abordagens anteriores, que empregavam fibras ópticas conectadas a vários componentes.
“Uma plataforma de chip fotônica de silício mais escalável fornece um avanço considerável, pois permite que a fotônica com dimensões sintéticas se beneficie da caixa de ferramentas de fabricação comercial madura e sofisticada do CMOS, além de criar os meios para fenômenos topológicos multidimensionais a serem introduzidos em novas aplicações de dispositivos, ”Baba disse.
A flexibilidade do sistema, incluindo a capacidade de reconfigurá -lo conforme necessário, complementa espaços estáticos equivalentes no espaço real, o que poderia ajudar os pesquisadores a ignorar as restrições dimensionais do espaço real para entender os fenômenos mesmo além de três dimensões, de acordo com Baba.
"Este trabalho mostra a possibilidade de que a fotônica de dimensão topológica e sintética possa ser usada praticamente com uma plataforma de integração de fotônicas de silício", disse Baba."Em seguida, planejamos coletar todos os elementos fotônicos de dimensão topológica e sintética para construir um circuito integrado topológico".
Referência: “Estruturas de banda de dimensão sintética em uma plataforma fotônica de Si CMOS”, de Armandas Balcytis, Tomoki Ozawa, Yasutomo Ota, Satoshi Iwamoto, Jun Maeda e Toshihiko Baba, 28 de janeiro de 2022, Science Advances.Do: 10.1126/sciadv.abkk0, 28 de janeiro de 2022, Science Advances.Do: 10.1126/sciadv.abkk0, 28 de janeiro de 2022, Science Advances.
Outros colaboradores incluem Armandas Balčytis e Jun Maeda, Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação, Universidade Nacional de Yokohama;Tomoki Ozawa, Instituto Avançado de Pesquisa de Materiais da Universidade de Tohoku;e Yasutomo Ota e Satoshi Iwamoto, Instituto de Nano Quantum Information Electronics, Universidade de Tóquio.A OTA também é afiliada ao Departamento de Física Aplicada e Físico-Informática, Universidade de Keio.Iwamoto também é afiliado ao Centro de Pesquisa de Ciência e Tecnologia Avançada e ao Instituto de Ciência Industrial, a Universidade de Tóquio.
A Agência de Ciência e Tecnologia do Japão (JPMJCR19T1, JPMJPR19L2), a Sociedade Japonesa para a Promoção da Ciência (JP20H01845) e Riken apoiaram esta pesquisa.
