Investigadores de la Universidad de California, Berkeley, han encontrado una nueva forma de aprovechar las propiedades de las ondas de luz que pueden aumentar radicalmente la cantidad de datos que transportan. Demostraron la emisión de rayos láser de torsión discretos de antenas formadas por anillos concéntricos aproximadamenteigual al diámetro de un cabello humano, lo suficientemente pequeño como para colocarlo en chips de computadora.
El nuevo trabajo, informado en un artículo publicado el jueves 25 de febrero en la revista Física de la naturaleza , abre de par en par la cantidad de información que puede ser multiplexada, o transmitida simultáneamente, por una fuente de luz coherente. Un ejemplo común de multiplexación es la transmisión de múltiples llamadas telefónicas a través de un solo cable, pero había límites fundamentales para lanúmero de ondas de luz retorcidas coherentes que podrían multiplexarse directamente.
"Es la primera vez que los láseres que producen luz torcida se han multiplexado directamente", dijo el investigador principal del estudio, Boubacar Kanté, profesor asociado de Chenming Hu en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación de UC Berkeley.Los datos en nuestro mundo, y los canales de comunicación que tenemos ahora pronto serán insuficientes para lo que necesitamos. La tecnología de la que estamos informando supera los límites actuales de capacidad de datos a través de una característica de la luz llamada momento angular orbital. Es un cambio de juego con las aplicacionesen imágenes biológicas, criptografía cuántica, comunicaciones y sensores de alta capacidad ".
Kanté, quien también es científico de la facultad en la División de Ciencias de Materiales en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley Berkeley Lab, ha continuado este trabajo en UC Berkeley después de haber comenzado la investigación en UC San Diego. El primer autor del estudio esBabak Bahari, ex estudiante de doctorado en el laboratorio de Kanté.
Kanté dijo que los métodos actuales de transmisión de señales a través de ondas electromagnéticas están llegando a su límite. La frecuencia, por ejemplo, se ha saturado, por lo que solo hay tantas estaciones que se pueden sintonizar en la radio. Polarización, donde las ondas de luz están separadasen dos valores, horizontal o vertical, puede duplicar la cantidad de información transmitida. Los cineastas aprovechan esto al crear películas en 3D, lo que permite a los espectadores con gafas especializadas recibir dos conjuntos de señales, una para cada ojo, para crear unaefecto estereoscópico y la ilusión de profundidad.
Aprovechando el potencial en un vórtice
Pero más allá de la frecuencia y la polarización está el momento angular orbital, o OAM, una propiedad de la luz que ha atraído la atención de los científicos porque ofrece una capacidad exponencialmente mayor para la transmisión de datos. Una forma de pensar sobre el OAM es compararlo con el vórtice de untornado.
"El vórtice en la luz, con sus infinitos grados de libertad, puede, en principio, soportar una cantidad ilimitada de datos", dijo Kanté. "El desafío ha sido encontrar una manera de producir de manera confiable el número infinito de haces OAM. Nouno alguna vez ha producido rayos OAM de cargas tan altas en un dispositivo tan compacto antes ".
Los investigadores comenzaron con una antena, uno de los componentes más importantes del electromagnetismo y, señalaron, fundamental para las tecnologías 5G en curso y las próximas 6G. Las antenas de este estudio son topológicas, lo que significa que sus propiedades esenciales se conservan incluso cuando eldispositivo está torcido o doblado.
Creando anillos de luz
Para hacer la antena topológica, los investigadores utilizaron litografía por haz de electrones para grabar un patrón de cuadrícula en fosfuro de arseniuro de galio indio, un material semiconductor, y luego unieron la estructura a una superficie hecha de granate de hierro ytrio. Los investigadores diseñaron la cuadrícula paraformar pozos cuánticos en un patrón de tres círculos concéntricos, el más grande de aproximadamente 50 micrones de diámetro, para atrapar fotones. El diseño creó las condiciones para soportar un fenómeno conocido como efecto Hall cuántico fotónico, que describe el movimiento de los fotones cuando sese aplica el campo, lo que obliga a la luz a viajar en una sola dirección en los anillos.
"La gente pensó que el efecto Hall cuántico con un campo magnético podría usarse en electrónica pero no en óptica debido al débil magnetismo de los materiales existentes a frecuencias ópticas", dijo Kanté. "Somos los primeros en demostrar que el efecto Hall cuánticofunciona para la luz ".
Al aplicar un campo magnético perpendicular a su microestructura bidimensional, los investigadores generaron con éxito tres rayos láser OAM que viajaban en órbitas circulares sobre la superficie. El estudio mostró además que los rayos láser tenían números cuánticos tan grandes como 276, refiriéndose a lanúmero de veces que la luz gira alrededor de su eje en una longitud de onda.
"Tener un número cuántico más grande es como tener más letras para usar en el alfabeto", dijo Kanté. Estamos permitiendo que la luz expanda su vocabulario. En nuestro estudio, demostramos esta capacidad en longitudes de onda de telecomunicaciones, pero en principio,se puede adaptar a otras bandas de frecuencia. Aunque creamos tres láseres, multiplicando la velocidad de datos por tres, no hay límite para el número posible de haces y la capacidad de datos ".
Kanté dijo que el siguiente paso en su laboratorio es hacer anillos de Hall cuánticos que usen electricidad como fuente de energía.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - Berkeley . Original escrito por Sarah Yang. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
Referencia de la revista :
cite esta página :