Квазикристаллическая структура, созданная учеными, генерирует световые мини-вихри, которые могут использоваться для передачи больших объемов информации. Она формируется из металлических наночастиц, расположенных с высокой точностью для создания различных типов вихрей. Взаимодействие с пучком света, находящимся в электрическом поле, позволяет создавать эти вихри. Применение такой структуры в оптических волокнах позволит увеличить объем передаваемой информации в 8-16 раз по сравнению с существующими технологиями.
В цифровую эпоху передача информации в значительной степени опирается на кодирование данных в виде фотонов. На данный момент оптоволоконные сети являются наиболее распространенной инфраструктурой для этих целей. Однако возрастающая потребность в увеличении пропускной способности требует создания систем, позволяющих кодировать и передавать большие объемы информации.
В последнее время световые вихри рассматриваются как перспективный инструмент для оптимизации передачи информации посредством света. Они предназначены для управления топологическими дефектами в световом потоке, что позволяет контролировать отражение света и содержащуюся в нем информацию. Некоторые топологические дефекты возникают спонтанно и широко распространены в природе, в то время как другие формируются благодаря симметрии в структуре материалов, с которыми взаимодействует свет. Это оказывает влияние на форму и структуру создаваемого вихря.
Материалы с квадратной (или булыжниковой) структурой формируют элементарные вихри, шестиугольные – двойные, и так далее. Для создания более сложных вихрей необходимы, как минимум, восьмиугольные структуры. Однако формирование вихрей, обладающих достаточной сложностью для кодирования информации, является сложной задачей.
Новая разработка финских ученых из Университета Аалто позволяет обойти эти сложности и создавать вихри любого типа. « Данная работа посвящена изучению связи между симметрией и вращением вихря, а именно, какие виды вихрей могут формироваться при различных типах симметрии. Мы рассматриваем квазикристалл как структуру, находящуюся между упорядоченностью и хаосом », — поясняет Пяйви Тёрмя, возглавлявшая исследование, результаты которого были опубликованы в журнале Nature Communications.
Развитие телекоммуникационных инфраструктур будущего
Данная структура является квазикристаллом, сформированным из металлических наночастиц. Подобно обычным кристаллам, квазикристаллы демонстрируют дискретный дифракционный спектр, однако их структура не обладает периодичностью, в отличие от классических кристаллов. Для получения квазикристалла исследователи осуществляли управление 100 000 металлических наночастиц, размер которых не превышает одной сотой диаметра человеческого волоса. Процесс включал взаимодействие этих частиц с пучком света в контролируемом электрическом поле.
Световой вихрь имеет структуру, аналогичную циклону. В его центре находится спокойная, темная область, напоминающая «глаз», вокруг которой располагается кольцо яркого света, образованное потоками, движущимися в разных направлениях. Для поиска оптимального места создания сложных вихрей исследователи использовали нестандартный метод, основанный на выявлении участков с минимальным взаимодействием частиц 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 », — поясняет Яни-Матти Таскинен, один из авторов научной работы.
С помощью этой методики можно формировать сложные вихревые структуры, адаптируя их под конкретные нужды. « Используемая нами квазикристаллическая структура опирается на теорию групп для определения расположения узлов электромагнитного поля, при этом плазмонные наночастицы размещаются таким образом, чтобы обеспечить максимальное усиление », — отмечают эксперты в своей работе. Теория групп представляет собой способ расчета, применяемый для прогнозирования вида деформации, которую может испытать структура материала.
Благодаря этим сложным вихрям, возможно хранение значительных объемов информации в небольшом пространстве. Их можно транспортировать по оптическому волокну и распаковывать по прибытии в пункт назначения. По мнению разработчиков, такие волокна потенциально смогут передавать в 8-16 раз больший объем информации, чем существующие технологии.
Этот метод может открыть возможности для создания новых телекоммуникационных систем. Тем не менее, для реализации на практике потребуется дополнительное изучение и доработка концепции, по мнению исследователей.