Los humanos experimentan el mundo en tres dimensiones, pero una colaboración en Japón ha desarrollado una forma de crear dimensiones sintéticas para comprender mejor las leyes fundamentales del universo y posiblemente aplicarlas a tecnologías avanzadas.
Publicaron sus resultados hoy (28 de enero de 2022) en Avances de la ciencia.
“El concepto de dimensionalidad se ha convertido en un elemento central 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 menor dimensión han sido fructíferas, los rápidos avances en topología han descubierto una gran cantidad de fenómenos potencialmente útiles según la dimensionalidad del sistema, incluso más allá de 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 una distorsión continua, como el giro de una cinta de Moebius. Cuando se combinan con la luz, según Baba, estos espacios físicos se pueden dirigir de una manera que permite a los investigadores inducir fenómenos muy complicados.
En el mundo real, desde una línea hasta un cuadrado y un cubo, cada dimensión proporciona más información y requiere más conocimiento para describirla con precisión. En fotónica topológica, los investigadores pueden crear dimensiones adicionales de un sistema, lo que permite más grados de libertad y una manipulación multifacética de propiedades que antes eran inaccesibles.
“Las dimensiones sintéticas han hecho posible explotar conceptos de mayor dimensión en dispositivos de menor dimensión con una complejidad reducida, además de impulsar funcionalidades críticas del dispositivo, como el aislamiento óptico en el chip”, dijo Baba.
Resonador de anillo fabricado con fotónica de silicio y modulado internamente genera una escala de frecuencia. Crédito: Universidad Nacional de Yokohama
Los investigadores fabricaron una dimensión sintética en un resonador de anillo de silicio, utilizando el mismo enfoque utilizado para construir semiconductores complementarios de óxido de metal (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 anchos de banda particulares.
Según Baba, el dispositivo fotónico del resonador de anillo de silicio adquirió un espectro óptico “similar a un peine”, lo que resultó en modos acoplados correspondientes a 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 desarrollado comprende un anillo, se podrían apilar más para crear efectos en cascada y caracterizar rápidamente las señales de frecuencia óptica.
Críticamente, dijo Baba, su plataforma, incluso con anillos apilados, es mucho más pequeña y compacta que los enfoques anteriores, que empleaban fibras ópticas conectadas a varios componentes.
“Una plataforma de chip fotónico de silicio más escalable proporciona un avance considerable, ya que permite que la fotónica con dimensiones sintéticas se beneficie de la caja de herramientas de fabricación comercial CMOS madura y sofisticada, al mismo tiempo que crea los medios para introducir fenómenos topológicos multidimensionales en aplicaciones de dispositivos novedosos. dijo Baba.
La flexibilidad del sistema, incluida la capacidad de reconfigurarlo según sea necesario, complementa espacios estáticos equivalentes en el espacio real, lo que podría ayudar a los investigadores a sortear las limitaciones dimensionales del espacio real para comprender fenómenos incluso más allá de las tres dimensiones, según Baba.
“Este trabajo muestra la posibilidad de que la fotónica de dimensiones topológicas y sintéticas se pueda utilizar prácticamente con una plataforma de integración de fotónica de silicio”, dijo Baba. “A continuación, planeamos recopilar todos los elementos fotónicos de dimensión topológica y sintética para construir un circuito integrado topológico”.
Referencia: “Estructuras de banda de dimensión sintética en una plataforma fotónica Si CMOS” 28 de enero de 2022, Avances de la ciencia.
DOI: 10.1126/sciadv.abk0468
Otros colaboradores incluyen Armandas Balčytis y Jun Maeda, Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática, Universidad Nacional de Yokohama; Tomoki Ozawa, Instituto Avanzado de Investigación de Materiales, Universidad de Tohoku; y Yasutomo Ota y Satoshi Iwamoto, Instituto de Electrónica de Información Nano Cuántica, Universidad de Tokio. Ota también está afiliado al Departamento de Física Aplicada y Fisicoinformática de la Universidad de Keio. Iwamoto también está afiliado al Centro de Investigación de Ciencia y Tecnología Avanzadas y al Instituto de Ciencias Industriales de la Universidad de Tokio.
La Agencia de Ciencia y Tecnología de Japón (JPMJCR19T1, JPMJPR19L2), la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia (JP20H01845) y RIKEN apoyaron esta investigación.
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