| +33 голоса |
|
Исследователи преодолели барьер, который считался фундаментальным ограничением в физике последние 100 лет. Они смогли построить резонансные системы, которые могут хранить электромагнитные волны в течение длительного отрезка времени, сохраняя при этом широкую полосу пропускания. Их исследование открывает ряд новых возможностей, особенно в области телекоммуникаций.
В Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) исследователи бросили вызов основополагающему закону и обнаружили, что в волноводных системах можно хранить больше электромагнитной энергии, чем раньше. Это открытие может быть использовано для телекоммуникаций. Работая над фундаментальным законом, они задумали резонансные и волноводные системы, способные хранить энергию в течение длительного времени, сохраняя при этом широкую полосу пропускания. Их трюк заключался в создании асимметричных резонансных или волноводных систем с использованием магнитных полей.
Исследование, которое было опубликовано в Science, возглавлялось Космасом Цакмакидисом (Kosmas Tsakmakidis) сначала в Оттавском университете, а затем Хатисом Алтугом в Лаборатории бионанофотонных систем в EPFL, где ученый сейчас проводит исследования после докторантуры.
Этот прорыв может оказать значительное влияние на многие области техники и физики. Количество потенциальных приложений трудно оценить, от телекоммуникаций и оптических систем обнаружения до широкополосной связи.
Резонансные и волноводные системы присутствуют в подавляющем большинстве оптических и электронных систем. Их роль заключается в том, чтобы временно хранить энергию в виде электромагнитных волн, а затем освобождать их. На протяжении более 100 лет эти системы сдерживались ограничением, которое считалось фундаментальным: отрезок времени, на протяжении которого волна может сохраняться, обратно пропорционален ее ширине полосы. Это отношение интерпретировалась как невозможность хранения больших объемов данных в резонансных или волноводных системах в течение длительного времени, потому что увеличение ширины полосы означало уменьшение времени и качества хранения.
Этот закон был впервые сформулирован К. С. Джонсоном в 1914 году в компании Western Electric Company (предшественнице Bell Telephone Laboratories). Он вводит понятие Q-фактора, согласно которому резонатор может либо хранить энергию в течение длительного времени, либо иметь широкую полосу пропускания, но не одновременно. Увеличение времени хранения значит уменьшение полосы пропускания и наоборот. Небольшая полоса пропускания означает ограниченный диапазон частот (или «цветов») и, следовательно, ограниченный объем данных.
До сих пор эта концепция никогда не оспаривалась. Физики и инженеры всегда строили резонансные системы, например, для создания лазеров, создания электронных схем и проведения медицинских диагнозов, учитывая это ограничение.
Но теперь это ограничение ушло в прошлое. Исследователи придумали гибридную резонансную/волноводную систему из магнитооптического материала, которая при приложении магнитного поля способна остановить волну и сохранить ее на протяжении более длительного отрезка времени, тем самым аккумулируя большее количество энергии. Затем магнитное поле выключалось, и захваченный импульс освобождался.
С такими асимметричными и необратимыми системами можно было сохранить волну в течение очень длительного периода времени, а также поддерживать большую ширину полосы пропускания. Обычный предел соотношения время—полоса пропускания был даже увеличен в 1000 раз. Ученые далее показали, что теоретически в таких асимметричных (необратимых) системах нет верхнего предела этого порога.
«Это был момент откровения, когда мы обнаружили, что эти новые структуры вообще не ограничивают соотношение время—ширина полосы. Эти системы отличаются от тех, к которым мы привыкли десятилетиями и, возможно, сотни лет», - говорит Цакмакидис, ведущий автор исследования. «Их превосходные возможности хранения волн может действительно стать стимулом для целого ряда захватывающих приложений в различных современных и более традиционных областях исследований», - добавляет Хатис Алтуг.
Одним из возможных применений является разработка чрезвычайно быстрых и эффективных полностью оптических буферов в телекоммуникационных сетях. Роль буферов заключается в том, чтобы временно хранить данные, поступающие в виде света по оптическим волокнам. Это облегчает их обработку.
С помощью этой новой методики возможно улучшить процесс и хранить большие полосы пропускания данных в течение длительного времени. Другие потенциальные приложения включают встроенную в чип спектроскопию, широкополосную сборку и хранение энергии, а также широкополосную оптическую маскировку («плащ-невидимку»). «Объявленный прорыв по-настоящему фундаментален – мы даем исследователям новый инструмент, а количество приложений ограничено только воображением», - резюмирует Цакмакидис.
Эта резонансная передача энергии от одного источника к другому удаленному источнику или объекту относится к фундаментальной концепции резонансов
Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365
| +33 голоса |
|
