Et 100-årigt fysikproblem er blevet løst

På EPFL, forskere udfordrer en grundlov og opdager, at mere elektromagnetisk energi kan lagres i bølgeledende systemer end tidligere antaget. Opdagelsen har konsekvenser i telekommunikation. Arbejde omkring den grundlæggende lov, de udtænkte resonans- og bølgeledende systemer, der er i stand til at lagre energi over en længere periode, samtidig med at de beholder en bred båndbredde. Deres trick var at skabe asymmetriske resonans- eller bølgeledende systemer ved hjælp af magnetfelter.

Studiet, som netop er blevet offentliggjort i Videnskab , blev ledet af Kosmas Tsakmakidis, først ved University of Ottawa og derefter på EPFL's Bionanophotonic Systems Laboratory drevet af Hatice Altug, hvor forskeren nu laver postdoktoral forskning.

Dette gennembrud kan have stor indflydelse på mange områder inden for teknik og fysik. Antallet af potentielle ansøgninger er tæt på uendeligt, med telekommunikation, optiske detektionssystemer og bredbåndsenergihøstning, der kun repræsenterer nogle få eksempler.

Lægger gensidighed til side

Resonant- og bølgeledende systemer findes i langt de fleste optiske og elektroniske systemer. Deres rolle er midlertidigt at lagre energi i form af elektromagnetiske bølger og derefter frigive dem. I mere end 100 hundrede år, disse systemer blev holdt tilbage af en begrænsning, der blev anset for at være grundlæggende:hvor lang tid en bølge kunne lagres var omvendt proportional med dens båndbredde. Dette forhold blev fortolket til at betyde, at det var umuligt at gemme store mængder data i resonans- eller bølgeledende systemer over en lang periode, fordi forøgelse af båndbredden betød, at lagringstiden og lagringskvaliteten blev reduceret.

Denne lov blev først formuleret af K.S. Johnson i 1914, hos Western Electric Company (forløberen for Bell Telephone Laboratories). Han introducerede begrebet Q -faktor, ifølge hvilken en resonator enten kan lagre energi i lang tid eller have en bred båndbredde, men ikke begge på samme tid. Forøgelse af lagringstiden betød at reducere båndbredden, og omvendt. En lille båndbredde betyder et begrænset frekvensområde (eller 'farver') og derfor en begrænset mængde data.

Indtil nu, dette koncept var aldrig blevet udfordret. Fysikere og ingeniører havde altid bygget resonanssystemer - som dem til at producere lasere, lave elektroniske kredsløb og foretage medicinske diagnoser - med denne begrænsning i tankerne.

Men den begrænsning er nu fortid. Forskerne kom med et hybridresonant / bølgeledningssystem lavet af et magneto-optisk materiale, der, når der anvendes et magnetfelt, er i stand til at stoppe bølgen og gemme den i en længere periode, og derved akkumulere store mængder energi. Når magnetfeltet derefter er slukket, den fangede puls frigives.

Med sådanne asymmetriske og ikke-gensidige systemer, det var muligt at lagre en bølge i en meget lang periode, samtidig med at den bibeholdt en stor båndbredde. Den konventionelle grænse for tidsbåndbredde blev endda slået med en faktor 1, 000. Forskerne viste endvidere, at, teoretisk set der er slet ikke noget øvre loft til denne grænse i disse asymmetriske (ikke-gensidige) systemer.

"Det var et åbenbaringsøjeblik, da vi opdagede, at disse nye strukturer slet ikke havde nogen tidsbåndbreddebegrænsning. Disse systemer er i modsætning til, hvad vi alle har været vant til i årtier, og muligvis hundredvis af år ", siger Tsakmakidis, undersøgelsens hovedforfatter. "Deres overlegne bølgelagringskapacitet kan virkelig være en muliggørelse for en række spændende applikationer inden for forskellige moderne og mere traditionelle forskningsområder." Hatice Altug tilføjer.

Medicin, miljø og telekommunikation

En mulig applikation er i designet af ekstremt hurtige og effektive alle optiske buffere i telekommunikationsnetværk. Buffernes rolle er midlertidigt at gemme data, der ankommer i form af lys gennem optiske fibre. Ved at bremse massen af ​​data, det er lettere at behandle. Indtil nu, lagerkvaliteten havde været begrænset.+

Med denne nye teknik, det burde være muligt at forbedre processen og gemme store båndbredder af data i længere tid. Andre potentielle anvendelser omfatter on-chip spektroskopi, bredbåndshøst og energilagring, og bredbåndsoptisk camouflagering ("usynlighedskappe"). "Det rapporterede gennembrud er fuldstændig grundlæggende - vi giver forskere et nyt værktøj. Og antallet af ansøgninger er kun begrænset af ens fantasi, "opsummerer Tsakmakidis.