Fotonikforskning udnytter lysets kraft

I et laboratorium på USC, Mercedeh Khajavikhan udvikler nye strukturer, der ændrer lysets form, når det transporteres. Hun skaber banebrydende strukturer inden for et videnskabsområde kaldet fotonik. Hendes arbejde er vigtigt, fordi det påvirker mange ting, der bruges i dagligdagen, inklusive lasere til billeddannelse og sensing, fiberoptiske kabler til avanceret kommunikation og computerchips for at øge behandlingskapaciteten til et niveau, som tidligere generationer ikke kunne have drømt om.

Vi indhentede Khajavikhan, IBM Early Career Chair og lektor i elektro- og computerteknik ved USC Viterbi School of Engineering, for at fortælle om det projekt, hendes team arbejder på.

Hvad arbejder du med?

Vores laboratorium udfører forskning, der kombinerer banebrydende teorier inden for matematik og fysik med fotonik for at skabe nye tekniske designs, der former lys på måder, vi ikke kunne gøre uden at forene de to felter.

Hvad er fotonik?

Fotonik er et relativt nyt videnskabsområde, der er omkring 100 år gammelt. Det handler om lys:nye typer lasere, holografiske strømme, lys, der transmitterer information, forskellige måder at projicere lys og bruge det på tværs af strukturer. Det handler om at ændre strukturer ved optikkens grænser, at alt skal være symmetrisk. Hvis du kommer forbi det, så får du nye muligheder for at få lyset til at bevæge sig mere effektivt end standardlasere.

Hvad er et 'aktivt fotonisk system'?

Aktive fotoniske systemer er materialer, der bruges til at manipulere lys, og de er vigtigere for det moderne liv, end folk er klar over. I medicinsk udstyr, de kan bruges til at forbedre sansning og dataindsamling. Når det implementeres i halvledere, de øger computerkraften kraftigt. De spiller en vigtig rolle i navigation, hvor fotoniske gyroskoper giver forbedrede GPS-funktioner. Lys kan endda manipuleres til optisk datatransmission. Faktisk, nogle nye former for snoede lysstråler kunne gøre hastigheden af ​​vores nuværende fiberoptik totalt forældet.

Hvilken slags virksomheder er interesserede i denne forskning?

Fotonik spiller en vigtig rolle i så mange teknologier, så du kan forestille dig, at mange industrier er interesserede; alt fra kommunikation, transport og forsvar, til underholdning, sundhed, og fremstilling. Det er svært at forestille sig mange ingeniørområder, der ikke drager direkte fordel af fotonikforskning. Enhver industri, du kan komme i tanke om, vil direkte drage fordel af mindre, klogere, mere programmerbar teknologi - fotonik er afgørende for det.

Et særligt område, der skiller sig ud, er halvlederfremstilling. I dag, USA risikerer at komme bagud i forhold til vores konkurrenter – med store konsekvenser for vores økonomi og sikkerhed.

Hvad er dit mål inden for forskning?

At flytte videnskabens grænser. Det, der interesserer mig mest, er at få viden, fordi viden er en vidunderlig ting. Jeg kan godt lide udfordringen, og fotonik er et felt, hvor du kan trykke på grænserne for at lave ikke-symmetrisk lys - hvor meget du kan deformere dets struktur og alligevel beholde dets form.

Hvad førte dig til teknik i stedet for traditionel fysik?

Jeg ville være fysiker, men min far sagde, at jeg skulle læse ingeniør, for ellers ender du som gymnasielærer. Ved at arbejde i elektrofysisk elektroteknik, vi er i stand til at lave virkelige applikationer. USC er et godt sted for dette, fordi der er masser af fakulteter.

Hvad handler din seneste forskning om?

Vi udgav et papir i Naturfysik der viser, hvordan vi byggede en aldrig før set form af lys. At skabe en ny form af lys kan opfattes som noget som at skrive en ny algoritme eller et nyt stykke computerkode; det har potentialet til at føre til en række teknologiske fremskridt, alt efter hvor kreativ ingeniøren er. Det er muligt vores lette form, og andre kan lide det, vil en dag hjælpe med at ændre karakteren af ​​kommunikation, computer, transport eller en række andre brancher, samfundet er afhængig af hver eneste dag.

Jo bedre vi bliver til at bygge disse materialer, og jo mere kreativt vi tænker på dem, jo mere kan vi gøre. Du tænker måske på fotoniske systemer som noget som Legos. Du kan bygge en masse fantastiske ting med lego, selvom brikkerne kun forbinder hinanden på to sider og altid på samme måde. Men hvis du en dag opfandt stykker, der var i stand til at forbinde på alle sider og flytte rundt og ændre farve, du ville være i stand til at gøre ting, du aldrig tidligere havde forestillet dig. Det er det, jeg elsker ved fotoniske systemer – hver ny struktur, vi designer, og hvert nyt materiale, vi bygger, åbner op for hidtil uanede muligheder.