Científicos crean dimensiones sintéticas para comprender mejor las leyes fundamentales del universo

Los humanos experimentan el mundo en tres dimensiones, pero una colaboración en Japón ha desarrollado un método para crear dimensiones sintéticas para comprender mejor las leyes básicas del universo y posiblemente aplicarlas a tecnologías avanzadas.

Publicaron sus resultados hoy (28 de enero de 2022) en progreso de la ciencia.

«El concepto de dimensiones se ha convertido en un elemento básico 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 baja dimensión han sido fructíferas, los rápidos desarrollos en topología han revelado una gran cantidad de otros fenómenos potencialmente útiles según las dimensiones del sistema, incluso superando 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 la distorsión continua, como la distorsión de una tira de Möbius. Cuando se combinan con la luz, según Baba, estos espacios físicos se pueden dirigir de una manera que permite a los investigadores crear fenómenos muy complejos.

En el mundo real, desde la línea hasta el cuadrado y el cubo, cada dimensión proporciona más información y también requiere más conocimiento para describirla con precisión. En fotónica topológica, los investigadores pueden crear dimensiones adicionales del sistema, lo que permite mayores grados de libertad y una manipulación multifacética de propiedades que antes eran inaccesibles.

«Las dimensiones artificiales han hecho posible explotar conceptos de mayor dimensión en dispositivos de menor complejidad, así como potenciar funciones críticas del dispositivo, como el aislamiento óptico en el chip», dijo Papa.

Planificación y operación de un dispositivo sintético dimensional para fotónica de silicio

El resonador cíclico modificado internamente fabricado con fotónica de silicio genera una escalera de frecuencia. Crédito: Universidad Nacional de Yokohama

Los investigadores crearon una dimensión artificial en un resonador de anillo de silicio, utilizando la misma técnica utilizada para construir semiconductores de óxido de metal complementario (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 ciertas bandas.

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Según Baba, el dispositivo óptico del resonador de anillo de silicio ha adquirido espectros ópticos «en forma de peine», lo que da como resultado modos emparejados consistentes con 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 actualizado incluye un solo bucle, se pueden apilar más para obtener efectos en cascada y las señales de frecuencia óptica se distinguen rápidamente.

De manera crucial, Baba dijo que su plataforma, incluso con bucles apilados, es mucho más pequeña y compacta que los métodos anteriores, que usaban fibras ópticas conectadas a varios componentes.

“La plataforma de chips ópticos de silicio más escalable ofrece avances significativos, lo que permite que la fotónica de dimensiones sintéticas aproveche un conjunto de herramientas de fabricación de CMOS comercial sofisticado y avanzado, al tiempo que crea medios para que los fenómenos topológicos multidimensionales se introduzcan en nuevas aplicaciones de dispositivos”, dijo Baba. .

La flexibilidad del sistema, incluida la capacidad de reconfigurarlo según sea necesario, complementa los espacios fijos equivalentes en el espacio real, lo que puede ayudar a los investigadores a sortear las limitaciones dimensionales del espacio real para comprender los fenómenos más allá de las tres dimensiones, según Baba.

«Este trabajo demuestra el potencial del uso de fotones dimensionales sintéticos y topológicos en la práctica con una plataforma de integración para la fotónica de silicio», dijo Baba. «A continuación, planeamos recopilar todos los elementos ópticos de dimensiones tanto topológicas como sintéticas para construir un circuito topológico integrado».

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Referencia: «Estructuras de bandas dimensionales sintéticas en la plataforma óptica Si CMOS» 28 de enero de 2022 Disponible aquí progreso de la ciencia.
DOI: 10.1126 / sciadv.abk0468

Otros colaboradores incluyen Armandas Palitis y John 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 Nanoelectrónica de Información Cuántica, Universidad de Tokio. OTA también está afiliada al Departamento de Física Aplicada e Informática Física de la Universidad de Keio. Iwamoto también está afiliado al Centro de Investigación de Ciencia y Tecnología Avanzada y al Instituto de Ciencias Industriales de la Universidad de Tokio.

Esta investigación fue apoyada por la Agencia de Ciencia y Tecnología de Japón (JPMJCR19T1, JPMJPR19L2), la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia (JP20H01845) y RIKEN.

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