Tutkimus, joka keskittyy valon ja sähkömagneettisten kenttien hallintaan pienissä valohurrikaaneissa, saattaa merkittävästi lisätä optisten kaapelien kautta siirrettävän tiedon määrää.
Monet nykypäivän yhteiskunnan palvelut, kuten internet, perustuvat tietoliikenteeseen, jossa tietoa koodataan laservaloon ja siirretään optisten kaapeleiden kautta. Tiedonsiirtokapasiteetin jatkuva kasvu kuitenkin vaatii entistä tehokkaampia koodausmenetelmiä.
Aalto-yliopiston teknillisen fysiikan laitoksen tutkijat ovat kehittäneet uuden menetelmän, joka voi merkittävästi parantaa optisten kaapeleiden tiedonsiirtokapasiteettia. Tämä menetelmä perustuu valon ja sähkömagneettisten kenttien hallintaan niin kutsutuissa valohurrikaaneissa eli vortekseissa.
Quantum Dynamics -tutkimusryhmän, jota johtaa professori Päivi Törmä, väitöskirjatutkijat Kristian Arjas ja Jani Taskinen ovat kehittäneet uudenlaisen geometrisen suunnittelun, jolla voidaan luoda pieniä valohurrikaaneja. Tämä perustuu sähkömagneettisen kentän ja metallisten nanohiukkasten vuorovaikutukseen. Käyttämällä rakenteita, joita kutsutaan ”kvasikristalleiksi”, tietoa voidaan koodata ja siirtää huomattavasti nykyistä tehokkaammin.
Järjestyksen ja kaaoksen välimaastossa
Vorteksi on valonsäteessä ilmenevä ilmiö, jossa kirkas valokehä ympäröi pimeää keskustaa – aivan kuin hurrikaanin silmää. Tämä vorteksin keskusta pysyy pimeänä, koska kirkkaan valon sähkökenttä osoittaa eri suuntiin säteen eri kohdissa.
Tutkijat ovat aiemmin osoittaneet, että vorteksin ominaisuudet määräytyvät sen tuottavan rakenteen symmetrian mukaan. Esimerkiksi neliömäisesti järjestetyt nanoskaalan hiukkaset tuottavat yhden vorteksin, kuusikulmainen rakenne tuottaa kaksoisvorteksin, ja monimutkaisempien vorteksien luominen vaatii kahdeksankulmaisia rakenteita.
Arjas, Taskinen ja muu tutkimusryhmä ovat nyt löytäneet menetelmän luoda geometrisia muotoja, jotka voivat teoriassa tuottaa lähes minkä tahansa tyyppisiä vortekseja.
”Tässä tutkimuksessa tarkastellaan vorteksin symmetrian ja rotaation välistä suhdetta, eli minkälaisia vortekseja voimme tuottaa minkälaisilla symmetrioilla. Kvasikristallimme on tavallaan puoliksi järjestystä ja puoliksi kaaosta”, professori Päivi Törmä kuvailee.
Hyviä värähtelyjä
Tutkimuksessaan ryhmä manipuloi 100 000 metallista nanohiukkasta, kukin kooltaan noin sadasosa ihmisen hiuksen paksuudesta, luodakseen tämän ainutlaatuisen asetelmansa. Keskeistä oli löytää sellaiset asettelut, joissa hiukkasten vuorovaikutus sähkömagneettisen kentän kanssa oli mahdollisimman vähäistä.
“Sähköisessä kentässä on voimakkaita värähtelykohtia ja toisaalta kohtia, joissa se on käytännössä kuollut. Veimme hiukkasia näihin kuolleisiin kohtiin, mikä sammutti kaiken muun, ja mahdollisti meille mielenkiintoisimpien kenttien valitsemisen sovelluksia varten”, Taskinen kertoo.
Löytö avaa uusia tutkimusmahdollisuuksia hyvin aktiivisella valon topologian tutkimusalueella. Se on myös varhainen askel tehokkaalle tavalle välittää tietoa kaikkialle, missä käytetään valoa koodatun tiedon lähettämiseen, kuten esimerkiksi telekommunikaatiossa.
“Voisimme esimerkiksi lähettää näitä vortekseja optisia kuitukaapeleita pitkin ja purkaa ne määränpäässä. Tämä voisi kasvattaa tiedonsiirtokapasiteettia jopa 8–16-kertaiseksi nykyiseen verrattuna”, Arjas sanoo.
Vaikka käytännön sovellukset ovat vielä vuosien päässä, Quantum Dynamics -ryhmä jatkaa tutkimustaan muun muassa superjohtavuuden ja orgaanisen LED-teknologian parissa. Ryhmä hyödynsi uraauurtavassa tutkimuksessaan kansallista nano-, mikro- ja kvanttiteknologian tutkimusinfrastruktuuri OtaNanoa.
Tutkimus julkaistiin marraskuun alussa Nature Communications -lehdessä.
