Финские учёные совершили прорыв в области оптических технологий, создав уникальную квазикристаллическую структуру. Эта наноразмерная конструкция способна генерировать миниатюрные световые вихри — особые формы электромагнитного излучения, которые могут стать новым носителем информации. Технология основана на точном расположении десятков тысяч металлических наночастиц, которые под воздействием лазерного луча в управляемом электрическом поле формируют контролируемые вихревые потоки света. Ключевое преимущество разработки — потенциальное увеличение пропускной способности оптоволоконных линий связи в 8–16 раз по сравнению с современными стандартами.
Потребность в новых решениях для передачи данных
Современная цифровая экономика и коммуникации всё больше зависят от скоростной передачи огромных массивов данных. Основой глобальной инфраструктуры остаются оптоволоконные сети, где информация кодируется с помощью фотонов — частиц света. Однако существующие технологии приближаются к своим физическим пределам, и растущие потребности в трафике требуют принципиально новых подходов к кодированию и передаче оптических сигналов.
Оптические вихри как новая парадигма
В последние годы научное сообщество активно исследует так называемые оптические вихри — световые пучки с винтовой фазовой структурой, несущие орбитальный угловой момент. Эти вихри позволяют манипулировать топологическими свойствами света, управляя тем, как он распространяется и какую информацию может переносить. В природе подобные топологические дефекты возникают спонтанно, но для практического применения необходимо научиться создавать их контролируемо и стабильно. Форма и сложность генерируемых вихрей напрямую зависят от симметрии материала, с которым взаимодействует свет: простые структуры дают элементарные вихри, а для создания сложных, пригодных для кодирования данных, требуются материалы с высокой симметрией, что представляет серьёзную технологическую проблему.
Обратите внимание: Китай официально объявил о планах сбросить космическую станцию Tiangong-2 на Землю.
Исследовательская группа из Университета Аалто (Финляндия) нашла элегантное решение, используя квазикристаллы — материалы, занимающие промежуточное положение между идеальным порядком классических кристаллов и полным хаосом аморфных веществ. «Наше исследование раскрывает фундаментальную связь между симметрией материала и характеристиками порождаемых световых вихрей. Квазикристаллы, с их уникальной упорядоченностью без периодичности, открывают новые возможности», — пояснил руководитель работы Пяйви Тёрмя. Результаты исследования были опубликованы в авторитетном журнале Nature Communications.
На пути к телекоммуникационным инфраструктурам следующего поколения
Созданная структура представляет собой искусственный квазикристалл, собранный из примерно 100 000 металлических наночастиц. Каждая частица меньше одного процента от толщины человеческого волоса. Их расположение не является периодическим, как в обычных кристаллах, но при этом обладает чёткой математической упорядоченностью, что и позволяет управлять светом особым образом. Взаимодействуя с лазерным лучом в точно настроенном электрическом поле, эта наноструктура порождает световые вихри сложной формы.
Сгенерированный вихрь можно сравнить с атмосферным циклоном: в его центре находится тёмное «око» — область, где интенсивность света близка к нулю, а вокруг него закручиваются яркие спиральные потоки. Для достижения такого эффекта учёные применили нестандартный подход, размещая наночастицы не в областях максимальной активности электрического поля, а, наоборот, в его «мёртвых зонах». «Электрическое поле имеет области сильных колебаний и области, где его воздействие минимально. Мы помещаем частицы именно в эти спокойные узлы, что позволяет выделить и усилить только нужные нам свойства света», — объяснил соавтор работы Яни-Матти Таскинен.
Используя аппарат теории групп — раздела математики, изучающего симметрию, — исследователи смогли заранее рассчитать, какие типы вихрей будут создаваться при той или иной конфигурации наночастиц. Это даёт возможность программируемо создавать вихри любой желаемой сложности, которые могут выступать в роли отдельных «символов» или «букв» в новом алфавите для оптической связи.
Именно эта способность кодировать информацию в сложной структуре вихря является ключевой. Один такой мини-вихрь может нести значительно больше данных, чем традиционный импульс света. Потоки этих вихрей можно направлять по стандартному оптоволокну, а на приёмной стороне «распаковывать» закодированную информацию. По предварительным оценкам, это может увеличить общую пропускную способность канала в 8–16 раз.
Данная разработка открывает путь к созданию телекоммуникационной инфраструктуры следующего поколения, способной удовлетворить экспоненциально растущий спрос на передачу данных. Однако учёные отмечают, что между лабораторным прототипом и коммерческим внедрением лежит путь в несколько лет, необходимых для доработки технологии, повышения её стабильности и интеграции в существующие системы.
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
Источник статьи: Исследователи разработали квазикристаллическую структуру, генерирующую световые мини-вихри, способные переносить огромные объемы данных.