Nyt paritet-tids symmetrisk system åbner op for bølgelængder for forskere, ingeniører

Forskere fra Lan Yangs laboratorier, Edwin H. &Florence G. Skinner-professoren og Xuan "Silvia" Zhang, lektor ved McKelvey School of Engineering ved Washington University i St. Louis, har udviklet den første fuldt integrerede paritet -tidssymmetrisk elektronisk system.

Og det kan laves uden brug af eksotiske materialer, og det kræver kun den samme standard mikroelektroniske fremstillingsteknologi, der bruges i dag til almindelige integrerede kredsløb.

Forskningen blev offentliggjort 17. marts i tidsskriftet Nature Nanotechnology .

PT-symmetriske systemer gør det muligt at manipulere energistrømmen på overraskende nye måder. I øjeblikket kan de fungere i et begrænset område – enten på det ekstremt lavfrekvente akustiske domæne eller det ekstremt højfrekvente optiske domæne.

Denne nye teknologi implementerede et koncept med bemærkelsesværdige matematiske egenskaber, der stammer fra kvantefysikken, i et integreret kredsløb. Det åbner op for en ny del af spektret for forskning i giga- til terahertz-området.

"Vores arbejde åbner denne midterste del (af spektret), der dækker afgørende mikrobølge- og millimeterbølgeapplikationer; vi udfylder hullet," sagde Zhang.

"Ingen i verden er i stand til at bygge PT-symmetriske systemer, der dækker dette frekvensområde."

Nøglen til disse systemer er evnen til præcist at balancere energitabet af en resonator med forstærkningen af ​​en anden, koblet resonator. Dette særlige ligevægtspunkt er PT-symmetri, og det giver mulighed for nye og kraftfulde måder at manøvrere strømmen og lokaliseringen af ​​energi på.

Et billede, der reflekteres i et spejl, har paritetstransformation - i reflektionen vendes en højre hånd og bliver til en venstre hånd og omvendt. En video, der afspilles baglæns, er et eksempel på tidsskift – begivenhederne i videoen bevæger sig tilbage i tiden.

Hvis begge transformationer udføres på samme tid og "ophæver hinanden" – systemet ser det samme ud, som det gjorde før transformationerne – så siges det system at have PT-symmetri.

Et sådant koncept er blevet brugt i koblede fotoniske resonatorsystemer til at udvikle nye strategier til at kontrollere lysstrømmen, såsom ikke-gensidig lystransmission.

At være i stand til at manipulere en ekstra del af det elektromagnetiske spektrum åbner muligheden for nye opdagelser og teknologier, sagde Weidong Cao, en postdoktoral forskningsmedarbejder i Zhangs laboratorium.

I praksis er disse typer systemer vigtige komponenter til radar, trådløs kommunikation og strømoverførselssystemer. Lige nu kræver de relevante dele store, magnetiske kerner. "Men nu kan vi krympe dem til en integreret kredsløbschip på størrelse med en fingernegl," sagde Zhang.

Takket være en ny fremstillingsteknologi er systemet skalerbart, hvilket gør det nemmere at drage fordel af ny funktionalitet i eksisterende teknologier.

"Integreret kredsløbsfremstilling og vores kredsløbsdesign giver dig mulighed for at bygge specifikt til forskellige områder af det elektromagnetiske spektrum," sagde Cao.

"Vores resultater viser, at indførelsen af ​​PT-symmetri i integreret kredsløbsteknologi kan gavne en bred vifte af chip-baserede applikationer såsom frekvensmodulation og manipulation af mikrobølgeudbredelse."

Yang sagde, at hun er imponeret over fysikkens potentielle evne til så bredt og umiddelbart at påvirke teknologien.

"Det er spændende at demonstrere den overlegne ydeevne og funktion, der er muliggjort af et nyt design styret af grundlæggende videnskab på en platform, der er blevet bredt brugt i industrien," sagde hun. + Udforsk yderligere

On-chip frekvensskiftere i gigahertz-området kan bruges i næste generation af kvantecomputere og netværk