بخش عمدهای از زندگی مدرن بر اساس کدگذاری اطلاعات روی ابزارهای انتقال آن بنا شده است. یکی از روشهای متداول، رمزگذاری دادهها در نور لیزر و ارسال آن از طریق کابلهای نوری است. افزایش تقاضا برای ظرفیت بیشتر اطلاعات، ما را ملزم میکند که پیوسته روشهای بهتری برای کدگذاری پیدا کنیم.
محققان در بخش فیزیک کاربردی دانشگاه آلتو در فنلاند، روشی جدید برای ایجاد “گردبادهای نوری” کوچک – که به نام گردابهای نوری نیز شناخته میشوند – یافتهاند که قادر به حمل اطلاعات است. این روش بر اساس دستکاری نانوذرات فلزی است که با یک میدان الکتریکی تعامل دارند. این روش طراحی که به نوعی از هندسهها به نام شبهبلورها تعلق دارد، توسط محقق دکترا کریستیان آرجاس (Kristian Arjas) ابداع و بهطور تجربی توسط محقق دکترا جانی تاسکینن (Jani Taskinen) از گروه دینامیک کوانتومی و پروفسور پیوی تورما (Päivi Törmä) به مرحله اجرا رسیده است. این کشف گامی اساسی در پیشرفت فیزیک به شمار میرود و میتواند روشهای کاملاً جدیدی را برای انتقال اطلاعات ارائه دهد.
ترکیب نظم و آشوب
در این حالت، یک گرداب مانند طوفانی است که در یک پرتو نور ایجاد میشود، جایی که یک مرکز آرام و تاریک توسط حلقهای از نور روشن احاطه شده است. درست مانند اینکه چشم طوفان به دلیل وزش بادها در جهات مختلف آرام است، مرکز گرداب نیز به دلیل اینکه میدان الکتریکی نور روشن به سمتهای مختلفی در اطراف پرتو مینگرد، تاریک است.
تحقیقات قبلی در فیزیک، نوع گردابهایی را که میتوانند ظاهر شوند با میزان تقارن ساختاری که آنها را تولید میکند، مرتبط کرده است. برای مثال، اگر ذرات در مقیاس نانو به شکل مربع مرتب شوند، نور تولیدی یک گرداب ایجاد میکند؛ ششضلعیها دو گرداب و غیره. گردابهای پیچیدهتر به حداقل شکلهای هشتضلعی نیاز دارند.
اکنون، آرجاس، تاسکینن و تیم آنها روشی برای ایجاد اشکال هندسی یافتهاند که بهطور نظری میتواند هر نوع گردابی را پشتیبانی کند.
تورما میگوید: «این تحقیق در مورد رابطه بین تقارن و چرخشپذیری گرداب است، یعنی چه نوع گردابهایی را میتوانیم با چه نوع تقارنی تولید کنیم. طراحی شبهبلور ما جایی بین نظم و آشوب قرار دارد.»
ارتعاشات مطلوب
در مطالعه خود، گروه بیش از ۱۰۰،۰۰۰ نانوذره فلزی را که هرکدام به اندازه یکصدم قطر موی انسان بودند، دستکاری کردند تا طراحی منحصر به فرد خود را ایجاد کنند. کلید این کار یافتن نقاطی بود که ذرات با میدان الکتریکی مطلوب کمتر تداخل داشتند، نه بیشتر.
تاسکینن توضیح میدهد: «یک میدان الکتریکی نقاط داغی با ارتعاشات بالا و نقاطی دارد که تقریباً مرده هستند. ما ذرات را در نقاط مرده وارد کردیم که باعث خاموش شدن همه چیزهای دیگر شد و به ما اجازه داد که میدان با خصوصیات جذاب برای کاربردها را انتخاب کنیم.»
این کشف دریچهای برای تحقیقات آینده در زمینه فعال مطالعه توپوگرافی نور باز میکند و نمایانگر گامهای اولیهای برای روشی قدرتمند در انتقال اطلاعات در حوزههایی است که به نور برای ارسال اطلاعات رمزگذاری شده نیاز دارند، از جمله مخابرات.
آرجاس میگوید: «ما میتوانیم، بهعنوان مثال، این گردابها را از طریق کابلهای فیبر نوری ارسال کنیم و در مقصد آنها را باز کنیم. این کار به ما امکان میدهد که اطلاعات خود را در فضای بسیار کمتری ذخیره کنیم و مقدار بیشتری از اطلاعات را بهطور همزمان منتقل کنیم. تخمینی خوشبینانه این است که این میزان میتواند ۸ تا ۱۶ برابر اطلاعاتی باشد که در حال حاضر از طریق فیبر نوری منتقل میشود.»
کاربردهای عملی و مقیاسپذیری طراحی تیم احتمالاً سالها مهندسی نیاز دارد. با این حال، گروه دینامیک کوانتومی در دانشگاه آلتو مشغول تحقیق در مورد ابررسانایی و بهبود دیودهای نوری ارگانیک (LEDs) هستند.
این گروه در تحقیق پیشگامانه خود از زیرساختهای تحقیقاتی OtaNano برای فناوریهای نانو، میکرو و کوانتومی استفاده کرده است.
این تحقیق اوایل نوامبر در مجله Nature Communications منتشر شد.