يختبر البشر العالم من خلال ثلاثة أبعاد ، ولكن التعاون في اليابان طور طريقة لإنشاء أبعاد تركيبية لفهم أفضل للقوانين الأساسية للكون وربما تطبيقها على التقنيات المتقدمة.
نشروا نتائجهم اليوم (28 يناير 2022) في تقدم العلم.
قال مؤلف الورقة توشيهيكو بابا ، الأستاذ في قسم الهندسة الكهربائية وهندسة الحاسبات بجامعة يوكوهاما الوطنية: “لقد أصبح مفهوم الأبعاد عنصرًا أساسيًا في مختلف مجالات الفيزياء والتكنولوجيا المعاصرة في السنوات الماضية”. “بينما كانت التحقيقات في المواد والهياكل منخفضة الأبعاد مثمرة ، كشفت التطورات السريعة في الطوبولوجيا عن وفرة أخرى من الظواهر المفيدة المحتملة اعتمادًا على أبعاد النظام ، حتى تجاوزت الأبعاد المكانية الثلاثة المتوفرة في العالم من حولنا.”
يشير الطوبولوجيا إلى امتداد للهندسة يصف رياضيًا المساحات ذات الخصائص المحفوظة في تشويه مستمر ، مثل تحريف شريط موبيوس. عند دمجها مع الضوء ، وفقًا لبابا ، يمكن توجيه هذه المساحات المادية بطريقة تسمح للباحثين بإحداث ظواهر معقدة للغاية.
في العالم الحقيقي ، من خط إلى مربع إلى مكعب ، يوفر كل بُعد مزيدًا من المعلومات ، كما يتطلب مزيدًا من المعرفة لوصفه بدقة. في الضوئيات الطوبولوجية ، يمكن للباحثين إنشاء أبعاد إضافية للنظام ، مما يسمح بدرجات أكبر من الحرية ومعالجة متعددة الأوجه للخصائص التي كان يتعذر الوصول إليها سابقًا.
قال بابا: “لقد جعلت الأبعاد الاصطناعية من الممكن استغلال مفاهيم الأبعاد الأعلى في الأجهزة ذات الأبعاد المنخفضة ذات التعقيد المنخفض ، بالإضافة إلى تشغيل وظائف الجهاز الهامة مثل العزل البصري على الرقاقة”.
الرنان الحلقي المصنوع باستخدام الضوئيات السيليكونية والمعدّل داخليًا يولد سلمًا تردديًا. الائتمان: جامعة يوكوهاما الوطنية
صنع الباحثون بُعدًا اصطناعيًا على مرنان حلقة من السيليكون ، مستخدمين نفس الأسلوب المستخدم في بناء أشباه موصلات مكملة لأكسيد المعادن (CMOS) ، وهي شريحة كمبيوتر يمكنها تخزين بعض الذاكرة. يطبق مرنان الحلقة أدلة للتحكم في موجات الضوء وتقسيمها وفقًا لمعايير محددة ، مثل نطاقات معينة.
وفقًا لبابا ، اكتسب الجهاز الضوئي لمرنان حلقة السيليكون أطياف بصرية “تشبه المشط” ، مما أدى إلى أوضاع مقترنة تتوافق مع نموذج أحادي البعد. بعبارة أخرى ، أنتج الجهاز خاصية قابلة للقياس – بُعد تركيبي – سمحت للباحثين باستنتاج معلومات حول باقي النظام.
بينما يتكون الجهاز المطور من حلقة واحدة ، يمكن تكديس المزيد لتأثيرات متتالية وتمييز إشارات التردد البصري بسرعة.
قال بابا ، بشكل حاسم ، أن منصتهم ، حتى مع الحلقات المكدسة ، أصغر بكثير ومضغوطة من الأساليب السابقة ، التي استخدمت أليافًا ضوئية متصلة بمكونات مختلفة.
“توفر منصة شرائح السيليكون الضوئية الأكثر قابلية للتوسع تقدمًا كبيرًا ، حيث تسمح للضوئيات ذات الأبعاد الاصطناعية بالاستفادة من مجموعة أدوات التصنيع التجاري CMOS المتطورة والمتطورة ، مع إنشاء وسائل لظواهر طوبولوجية متعددة الأبعاد يتم إدخالها في تطبيقات الأجهزة الجديدة قال بابا.
إن مرونة النظام ، بما في ذلك القدرة على إعادة تكوينه حسب الضرورة ، تكمل المساحات الثابتة المكافئة في الفضاء الحقيقي ، والتي يمكن أن تساعد الباحثين على تجاوز قيود الأبعاد الخاصة بالفضاء الحقيقي لفهم الظواهر التي تتجاوز ثلاثة أبعاد ، وفقًا لبابا.
قال بابا: “يُظهر هذا العمل إمكانية استخدام فوتونات الأبعاد الطوبولوجية والاصطناعية عمليًا مع منصة تكامل للضوئيات السيليكونية”. “بعد ذلك ، نخطط لجمع جميع العناصر الضوئية ذات الأبعاد الطوبولوجية والاصطناعية لبناء دائرة طوبولوجية متكاملة.”
المرجع: “هياكل نطاق الأبعاد الاصطناعية على منصة Si CMOS الضوئية” 28 يناير 2022 ، تقدم العلم.
DOI: 10.1126 / sciadv.abk0468
ومن بين المساهمين الآخرين أرمانداس باليتيس وجون مايدا ، قسم الهندسة الكهربائية وهندسة الحاسبات ، جامعة يوكوهاما الوطنية ؛ توموكي أوزاوا ، المعهد المتقدم لأبحاث المواد ، جامعة توهوكو ؛ وياسوتومو أوتا وساتوشي إيواموتو ، معهد إلكترونيات معلومات الكم النانوية ، جامعة طوكيو. أوتا تابعة أيضًا لقسم الفيزياء التطبيقية والمعلوماتية الفيزيائية بجامعة كيو. إيواموتو تابع أيضًا لمركز أبحاث العلوم والتكنولوجيا المتقدمة ومعهد العلوم الصناعية بجامعة طوكيو.
دعمت وكالة العلوم والتكنولوجيا اليابانية (JPMJCR19T1 ، JPMJPR19L2) والجمعية اليابانية لتعزيز العلوم (JP20H01845) و RIKEN هذا البحث.
