Científicos crean dimensiones sintéticas para comprender mejor las leyes fundamentales del universo
Los humanos experimentan el mundo en tres dimensiones, pero una colaboración en Japón ha desarrollado un método para crear dimensiones sintéticas para comprender mejor las leyes básicas del universo y posiblemente aplicarlas a tecnologías avanzadas.
Publicaron sus resultados hoy (28 de enero de 2022)
en progreso de la ciencia.
«El concepto de dimensiones se ha convertido en un
elemento básico en diversos campos de la física y la tecnología contemporáneas
en los últimos años», dijo el autor del artículo Toshihiko Baba, profesor del
Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad Nacional
de Yokohama. «Si bien las investigaciones sobre materiales y estructuras de
baja dimensión han sido fructíferas, los rápidos desarrollos en topología han
revelado una gran cantidad de otros fenómenos potencialmente útiles según las
dimensiones del sistema, incluso superando las tres dimensiones espaciales
disponibles en el mundo que nos rodea».
La topología se refiere a una extensión de la
geometría que matemáticamente describe espacios con propiedades conservadas en
la distorsión continua, como la distorsión de una tira de Möbius. Cuando se
combinan con la luz, según Baba, estos espacios físicos se pueden dirigir de
una manera que permite a los investigadores crear fenómenos muy complejos.
En el mundo real, desde la línea hasta el cuadrado y
el cubo, cada dimensión proporciona más información y también requiere más
conocimiento para describirla con precisión. En fotónica topológica, los
investigadores pueden crear dimensiones adicionales del sistema, lo que permite
mayores grados de libertad y una manipulación multifacética de propiedades que
antes eran inaccesibles.
«Las dimensiones artificiales han hecho posible
explotar conceptos de mayor dimensión en dispositivos de menor complejidad, así
como potenciar funciones críticas del dispositivo, como el aislamiento óptico
en el chip», dijo Baba.
Los investigadores crearon una dimensión artificial
en un resonador de anillo de silicio, utilizando la misma técnica utilizada
para construir semiconductores de óxido de metal complementario (CMOS), un chip
de computadora que puede almacenar algo de memoria. Un resonador de anillo
aplica guías para controlar y dividir las ondas de luz según parámetros
específicos, como ciertas bandas.
Según Baba, el dispositivo óptico del resonador de
anillo de silicio ha adquirido espectros ópticos «en forma de peine», lo que da
como resultado modos emparejados consistentes con un modelo unidimensional. En
otras palabras, el dispositivo produjo una propiedad medible, una dimensión
sintética, que permitió a los investigadores inferir información sobre el resto
del sistema.
Si bien el dispositivo actualizado incluye un solo
bucle, se pueden apilar más para obtener efectos en cascada y las señales de
frecuencia óptica se distinguen rápidamente.
De manera crucial, Baba dijo que su plataforma,
incluso con bucles apilados, es mucho más pequeña y compacta que los métodos
anteriores, que usaban fibras ópticas conectadas a varios componentes.
“La plataforma de chips ópticos de silicio más
escalable ofrece avances significativos, lo que permite que la fotónica de
dimensiones sintéticas aproveche un conjunto de herramientas de fabricación de
CMOS comercial sofisticado y avanzado, al tiempo que crea medios para que los
fenómenos topológicos multidimensionales se introduzcan en nuevas aplicaciones
de dispositivos”, dijo Baba. .
La flexibilidad del sistema, incluida la capacidad
de reconfigurarlo según sea necesario, complementa los espacios fijos
equivalentes en el espacio real, lo que puede ayudar a los investigadores a
sortear las limitaciones dimensionales del espacio real para comprender los
fenómenos más allá de las tres dimensiones, según Baba.
«Este trabajo demuestra el potencial del uso de
fotones dimensionales sintéticos y topológicos en la práctica con una
plataforma de integración para la fotónica de silicio», dijo Baba. «A
continuación, planeamos recopilar todos los elementos ópticos de dimensiones
tanto topológicas como sintéticas para construir un circuito topológico
integrado».
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Referencia:
«Estructuras de bandas dimensionales sintéticas en la plataforma óptica Si
CMOS» 28 de enero de 2022 Disponible aquí progreso de la ciencia.
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