Menyinari cahaya pada dimensi sintetik

Manusia mengalami dunia dalam tiga dimensi, tetapi kerjasama di Jepun telah membangunkan cara untuk mencipta dimensi sintetik untuk lebih memahami undang-undang asas alam semesta dan mungkin menerapkannya pada teknologi canggih.

Mereka menerbitkan keputusan mereka pada 28 Januari 2022 dalam Kemajuan Sains.

“Konsep dimensi telah menjadi lekapan utama dalam pelbagai bidang fizik dan teknologi kontemporari pada tahun-tahun lepas, ” kata pengarang kertas Toshihiko Baba, profesor di Jabatan Kejuruteraan Elektrik dan Komputer, Universiti Kebangsaan Yokohama. “Walaupun pertanyaan terhadap bahan dan struktur berdimensi rendah telah membuahkan hasil, kemajuan pesat dalam topologi telah menemui lebih banyak lagi fenomena yang berpotensi berguna bergantung pada dimensi sistem, malah melangkaui tiga dimensi ruang yang terdapat di dunia sekeliling kita.”

Topologi merujuk kepada lanjutan geometri yang menerangkan secara matematik ruang dengan sifat yang dikekalkan dalam herotan berterusan, seperti pintalan jalur mobius. Apabila digabungkan dengan cahaya, menurut Baba, ruang fizikal ini boleh diarahkan dengan cara yang membolehkan penyelidik untuk mendorong fenomena yang sangat rumit.

Dalam dunia nyata, daripada garis ke segi empat sama kepada kubus, setiap dimensi menyediakan lebih banyak maklumat, serta memerlukan lebih banyak pengetahuan untuk menerangkannya dengan tepat. Dalam fotonik topologi, penyelidik boleh mencipta dimensi tambahan sistem, membenarkan lebih banyak darjah kebebasan dan manipulasi pelbagai rupa bagi sifat yang sebelum ini tidak boleh diakses.

“Dimensi sintetik telah memungkinkan untuk mengeksploitasi konsep dimensi lebih tinggi dalam peranti berdimensi rendah dengan kerumitan yang dikurangkan, serta memacu fungsi peranti kritikal seperti pengasingan optik pada cip,” kata Baba.

Para penyelidik mencipta dimensi sintetik pada resonator cincin silikon, menggunakan pendekatan yang sama digunakan untuk membina pelengkap logam-oksida-konduktor (CMOS), cip komputer yang boleh menyimpan sedikit ingatan. Resonator cincin menggunakan panduan untuk mengawal dan membelah gelombang cahaya mengikut parameter tertentu, seperti lebar jalur tertentu.

Menurut Baba, peranti fotonik resonator cincin silikon memperoleh spektrum optik “seperti sikat”, menghasilkan mod berganding sepadan dengan model satu dimensi. Dalam erti kata lain, peranti itu menghasilkan sifat boleh diukur—dimensi sintetik—yang membenarkan penyelidik membuat kesimpulan maklumat tentang seluruh sistem.

Walaupun peranti yang dibangunkan terdiri daripada satu cincin, lebih banyak lagi boleh disusun kepada kesan lata dan mencirikan isyarat frekuensi optik dengan cepat.

Secara kritis, Baba berkata, platform mereka, walaupun dengan cincin bertindan, jauh lebih kecil dan padat daripada pendekatan sebelumnya, yang menggunakan gentian optik yang disambungkan kepada pelbagai komponen.

“Platform cip fotonik silikon yang lebih berskala memberikan kemajuan yang besar, kerana ia membolehkan fotonik dengan dimensi sintetik mendapat manfaat daripada kotak alat fabrikasi komersial CMOS yang matang dan canggih, di samping mewujudkan cara untuk fenomena topologi berbilang dimensi untuk diperkenalkan ke dalam aplikasi peranti baru. “kata Baba.

Fleksibiliti sistem, termasuk keupayaan untuk mengkonfigurasi semula seperti yang diperlukan, melengkapkan ruang statik yang setara dalam ruang sebenar, yang boleh membantu penyelidik memintas kekangan dimensi ruang sebenar untuk memahami fenomena walaupun di luar tiga dimensi, menurut Baba.

“Kerja ini menunjukkan kemungkinan fotonik dimensi topologi dan sintetik boleh digunakan secara praktikal dengan platform penyepaduan fotonik silikon,” kata Baba. “Seterusnya, kami merancang untuk mengumpul semua elemen fotonik dimensi topologi dan sintetik untuk membina litar bersepadu topologi.”

Disediakan oleh Universiti Kebangsaan Yokohama