Valon ja sähkömagneettisten kenttien oikeanlainen hallinta pienissä valohurrikaaneissa voisi moninkertaistaa optisten kaapelien kautta kuljetettavan tiedon määrää.
Aalto-yliopiston teknillisen fysiikan laitoksen tutkijat ovat kehittäneet uuden menetelmän, joka voi merkittävästi kasvattaa optisten kaapeleiden tiedonsiirtokapasiteettia. Menetelmä perustuu valon ja sähkömagneettisten kenttien hallintaan niin sanotuissa valohurrikaaneissa eli vortekseissa.
Professori Päivi Törmän johtaman Quantum Dynamics -tutkimusryhmän väitöskirjatutkijat Kristian Arjas ja Jani Taskinen ovat kehittäneet uuden geometrisen suunnittelumenetelmän, joka mahdollistaa pienten valohurrikaanien luomisen. Se perustuu sähkömagneettisen kentän ja metallisten nanohiukkasten vuorovaikutukseen. ”Kvasikristalleiksi” kutsuttujen rakenteiden avulla voidaan koodata ja välittää tietoa huomattavasti nykyistä tehokkaammin.
Puoliksi järjestystä ja puoliksi kaaosta
Vorteksi on valonsäteessä esiintyvä hurrikaanin kaltainen ilmiö, jossa kirkkaan valon rengas ympäröi rauhallista ja pimeää keskustaa – kuin hurrikaanin silmää. Tämä vorteksin silmä taas on pimeä, koska kirkkaan valon sähkökenttä osoittaa eri suuntiin säteen eri puolilla.
Tutkijat ovat jo aiemmin osoittaneet, että vorteksien ominaisuudet riippuvat niitä tuottavan rakenteen symmetriasta. Esimerkiksi neliöihin järjestetyt nanoskaalan hiukkaset tuottavat yhden vorteksin; kuusikulmainen rakenne tuottaa kaksoisvortexin ja niin edelleen. Näitä monimutkaisempien vorteksien tuottaminen vaatii siis vähintään kahdeksankulmaisia rakenteita.
Nyt Arjas ja Taskinen ovat yhdessä muun tutkimusryhmän kanssa löytäneet menetelmän sellaisten geometristen muotojen luomiseen, 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”, Päivi Törmä kuvailee.
“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”, Jani 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”, Kristian Arjas sanoo.
Käytännön sovellukset ovat kuitenkin vielä vuosien päässä.
