8 Minutės
Tyrėjai naudojo nelinijinį metapaviršių (metasluoksnį), kad eksperimentiniu būdu parodytų skyrmionus, kuriuos galima perjungti tarp elektrinio ir magnetinio režimų laisvos erdvės toroidinėse teraherco šviesos pulsuose.
Nuotrauka aukščiau perteikia esmę vienoje eilutėje: specialiai suprojektuotas paviršius gali nukreipti lazerio šviesą į žiedinės formos toroidą ir tada pakeisti šios formos pobūdį — nuo elektrinio link magnetinio. Tai nėra dekoratyvinė geometrija; tai naujas būdas koduoti ir apsaugoti signalus teraherco juostoje — dažnių ruože, kuriuo inžinieriai domisi dėl didelės pralaidumo belaidžių ryšių ir jutiklių sistemų. Kodėl šviesos impulso forma yra svarbi? Nes topologiškai apsaugotas, tvirtas modelis atsparus daugeliui trukdžių rūšių. Kitaip tariant, toks impulsas neša informaciją taip, kad ją sunkiau sujaukti.
Kaip buvo sukurti perjungiamieji skyrmionai
Komanda iš Tianjin universiteto kartu su bendradarbiais sukonstravo nelinijinį metapaviršių: mikrosluoksnį, sudarytą iš metalinių nanostruktūrų, kurių raštas ir forma keičia, kaip įeinanti šviesa sąveikauja su paviršiumi. Apšvitinus jį suformuotais artimojo infraraudonojo spektro femtosekundiniais lazerio impulsais, metapaviršius konvertuoja juos į pritaikytus teraherco toroidinius impulsus. Pakeitus įėjimo šviesos polarizaciją, įrenginys pagamina kitokį skyrmioną — vienas modelis dominuoja elektrinio lauko struktūra, kitas — magnetinio lauko cirkuliacija.
Trumpas impulsas. Tiksli raštika. Polarizacijos valdymas. Galima įsivaizduoti šį mechanizmą kaip skirtingų raktų naudojimą atveriant skirtingas to paties vartų spynas. Tyrėjai naudojo optinius elementus, tokius kaip fazės plokštelės (wave plates) ir vortex retarderius, kad nulietų infraraudonojo siurblio spindulio polarizaciją, o metapaviršiaus nelinijinis atsakas atliko pagrindinę transformaciją ir sukūrė skirtingus teraherco vorteksus. Šios toroidinės struktūros — žiedo formos elektromagnetinio lauko paketai, kurie sugrįžta patys į save — pasižymi topologiniu stabilumu, kurio neturi įprasti impulsai. Tam tikra prasme jos yra savaime apsaugančios.
Norint patvirtinti tokį elgesį reikėjo kruopščios matavimo strategijos. Komanda registravo teraherco impulsą daugelyje erdvinių taškų ir laiko akimirkų naudojant ultragreitą detekcijos sistemą, atstatydama besivystantį elektromagnetinį lauką, o ne remdamasi vienu momentiniu vaizdu. Toks erdvinio ir laikinio profilio žemėlapiavimas atskleidė tiek elektrinių, tiek magnetinių skyrmionų charakteristines paraštes. Tikimumo (fidelity) metrikos parodė, kad įrenginys patikimai persijungia tarp režimų išlaikydamas kiekvieno būsenos grynumą pakankamai aukštą informacijai koduoti.
Techninėse detalėse metapaviršius buvo optimizuotas taip, kad nelinijinės sąveikos — pvz., aukštesnių harmonikų generavimas ir suminis efektyvus dipolinis reagavimas — būtų išnaudotos maksimaliai efektyviai teraherco spektre. Tai apima nanometrinių elementų geometrijos pritaikymą, sluoksnių storį ir metalų-dieelektrikų parametrų parinkimus, siekiant skatinti pageidaujamą poliarizacinį atsaką ir toroidinių modų formavimą. Tokie eksperimentai reikalauja itin griežtos gamybos kontrolės ir pakartojamumo, nes net smulkūs defektai gali pakeisti vietines fazės sąlygas ir sutrikdyti globalių topologinių režimų formavimąsi.
Kodėl tai svarbu teraherco belaidžiams ryšiams ir informacijos kodavimui
Teraherco dažnių sritis yra tarp tradicinių mikrobangų belaidžio ryšio ir infraraudonųjų spindulių optikos. Ji žada didelį pralaidumą, bet tuo pačiu kelia inžinerinių iššūkių: atmosferos absorbcija, sklaidymas ir įrenginių pažeidžiamumas yra tik keli iš jų. Informacijos užkodavimas atsparioje erdvinėje arba topologinėje laipsninėje laisvėje — pavyzdžiui, naudojant toroidinį vorteksą ar skyrmioną — prideda papildomą redundancijos sluoksnį, kurio neteikia standartinės amplitudės ar dažnio moduliacijos metodai. Tokia atsparumas gali reikšti nuorodas, kurios toleruoja turbulenciją, netiksliųderinimą (misalignment) ir tam tikras trukdžių rūšis, neprarandant užkoduotos informacijos.
Perjungiamas metapaviršiaus požiūris vienu metu sprendžia dvi praktines užduotis. Pirma, jis siūlo paklausos pagal poreikį valdymą: kompaktiška platforma, kuri gamina skirtingus, aiškiai apibrėžtus teraherco režimus, priklausomai nuo to, kaip paruoštas įvesties spindulys. Antra, jis atveria kelią daugiafunkciam duomenų skaidymui (multiplexing), naudojant skirtingas topologines būsenas. Įsivaizduokite kanalus, kuriuose kiekviena loginė būsena atitinka kitokį skyrmiono raštą; imtuvas atpažįsta ne tik energiją, bet ir lauko topologiją. Tai galėtų padidinti spektro efektyvumą ir sumažinti kryžminį trukdį tankiuose tinkluose.
Sistemos patikimumas reikalauja naujų priėjimų prie dekodavimo: imtuvas turi būti jautrus ne tik laukui, bet ir jo topologiniams požymiams. Tai reiškia atitinkamus jutiklius arba signalų apdorojimo grandines, kurios gali atstatyti lauko fazę ir vektorinę struktūrą, arba naudoti mašininio mokymosi metodus, kad išskirtų topo-loginius požymius triukšmingame fone. Tokie sprendimai turi derinti optinį dizainą (metapaviršiaus generacija), adaptacinę optiką (atmosferos korekcija) ir skaitmeninį apdorojimą (dekodavimas, klaidų taisymas).
Yra ir iššūkių. Efektyvumas turi būti pagerintas: dabartinis artimojo infraraudonojo spindulio į teraherco konvertavimas yra nuostolingas palyginti su kai kuriais tradiciniais spinduliuokliais. Ilgaamžiškumas, pakartojamumas masinės gamybos metapavirsčiuose ir atsparumas aplinkos veiksniams turi būti išspręsti prieš tai, kai technologija galėtų būti įdiegta komerciniame ryšio įrenginyje. Nepaisant to, šis konceptas yra masto didinamas: pridėjus daugiau kontroliuojamų įėjimo raštų ir tobulinant metapaviršiaus geometriją, mokslininkai galėtų išplėsti binarinį perjungimą ir sukurti turtingesnį ortogonalių topologinių būsenų rinkinį, leidžiantį užkoduoti daugiau bitų viename pulse.
Susijusios technologijos ir ateities perspektyvos
Šis darbas įsitvirtina ultragreiros optikos, nanofabrikacijos ir teraherco inžinerijos sandūroje. Jis papildo kitas strategijas kuriant atsparias ryšio nuorodas, pavyzdžiui, orbitalinio kampinio momento (OAM) daugiasluoksnį kodavimą ir pažangias klaidų taisymo algoritmų sistemas, bet pasiūlo gimtą fizinį atsparumą per topologiją, o ne vien tik programinį sprendimą. Praktiniai įrenginiai greičiausiai derins kelis sluoksnius: metapaviršiumi sukurtą būsenų generavimą, adaptacinę optiką atmosferos korekcijai ir skaitmeninį apdorojimą dekodavimui bei klaidų mažinimui.
Be komunikacijų, perjungiamieji teraherco skyrmionai gali rasti taikymų jutiklių srityje ir informacijos apdorojime, kur lauko topologija skirtingai sąveikauja su medžiagomis. Toroidiniai režimai taip pat kitaip sąveikauja su materija nei paprastos plokštuminės bangos; tai galėtų būti išnaudota spektroskopijoje, neardomajame testavime arba kompaktiškose fotoninėse grandinėse, kurios maršrutizuoja signalus pagal topologiją, o ne vien pagal amplitudę. Pvz., teraherco toroidiniai modai gali turėti padidintą jautrumą tam tikroms dipolinėms arba multipolinėms reakcijoms medžiagoje, todėl jie galėtų būti pritaikyti detektuoti specifines chemines grupes arba defektus medžiagoje.
Technologinis kelių paketų (stack) integravimas reiškia iššūkius, bet ir galimybes: integruoti metapaviršius su kompaktiška teraherco detekcija (pvz., fotones arba elektriniais nešėjais), mažo praradimo bangolaidžiais ir efektyviais imtuvais gali sukurti pilnai sujungtas sistemas. Taip pat verta paminėti, kad topologinės būsenos gali būti kombinotos su laiko-domeno kodavimu ar poliarizacijos daugialypumu, siekiant dar labiau padidinti kanalų skaičių ir bendrą pralaidumą.
Ilgesnėje perspektyvoje plėtra gali apimti: naujų medžiagų panaudojimą, kurios turi didesnį nelinijinį koeficientą teraherco juostoje; pažangius gamybos metodus, užtikrinančius aukštą vienodumą dideliais paviršiaus plotais; ir algoritmus, kurie leidžia efektyviai dekoduoti topologinę informaciją net esant intensyviam triukšmui. Kartu tai galėtų leisti peržengti dabartines ribas ir sukurti belaidžius tinklus, kuriuose topologija yra pirmo lygio ryšio atributas.
Eksperto įžvalga
„Man imponuoja topologinio atsparumo ir aktyvaus valdymo sutuokta sintezė,“ sako dr. Maya Chen, fotonikos inžinierė, kuri nedalyvavo tyrime. „Topologiniai režimai sumažina tam tikrą klaidų klasę fiziniame sluoksnyje, o aktyvus perjungimas reiškia, kad logiką ir maršrutizaciją galima įdiegti tiesiogiai į šviesos šaltinį. Tai žingsnis link šviesa grįstų grandinių, kurios elgiasi panašiau į elektroninius tinklus, bet išlaiko optikos pralaidumo pranašumus.“
Kiti ekspertai pažymi realius kliuvinius: gamybos vienodumą, suderinimą su imtuvais ir energijos efektyvumą. Vis dėlto ši eksperimentinė demonstracija pateikia įtikinamą argumentą, kad toroidiniai teraherco skyrmionai yra ne formalios teorinės idėjos, o praktiški kandidatai naujosios kartos didelės talpos, nuo trikdžių atsparių belaidžių ryšių įrangai.
Tyrėjai dabar koncentruojasi į konversijos efektyvumo gerinimą, valdomų modų paletės išplėtimą ir metapaviršiaus sąvokos integraciją su kompaktiška teraherco detekcija bei maršrutizavimo aparatura. Jei šios pastangos pasiseks, rezultatas galėtų būti ne tik greitesnės nuorodos, bet ir protingesnės: kanalai, kurie „mąsto“ formomis tiek pat, kiek ir skaitmenimis.
Santrauka ir praktinės rekomendacijos:
- Metapaviršių optimizavimas: skirti dėmesį nelinijinių parametrų padidinimui ir nanostruktūrų vienodumui, siekiant padidinti near-IR įteraherco konversijos efektyvumą.
- Imtuvo dizainas: plėtoti vektorinę lauko detekciją ir fazinį atkūrimą, arba naudoti mašininio mokymosi metodus topologinių požymių išskyrimui.
- Sistemos integracija: derinti metapaviršiaus generaciją su adaptacine optika ir skaitmeniniu dekoduotu, kad būtų užtikrintas veikimas realiomis atmosferos sąlygomis.
- Programinės įrangos sluoksnis: taikyti pažangius kodavimo ir klaidų taisymo metodus, suderintus su topologinių būsenų ypatybėmis.
Šios gairės gali padėti konvertuoti laboratorinę demonstraciją į praktinius sprendimus telekomunikacijų, jutiklių ir fotonikos grandinių srityse. Svarbu paminėti, kad nors technologija vis dar yra ankstyvoje stadijoje, jos potencialas didelės pralaidumo, mažo kryžminio triukšmo belaidžiams tinklams yra reikšmingas.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą