Aalto-yliopiston teknillisen fysiikan laitoksen tutkijat ovat nyt kehittäneet uudenlaisenmenetelmän, jonka avulla voidaan kasvattaa merkittävästi optisten kaapeleiden tiedonsiirtokapasiteettia. Keino perustuu sähkömagneettisen kentän ja metallisten nanohiukkasten vuorovaikutukseen sekä ns. pienten valohurrikaanien eli Vorteksien luomiseen.
Aalto-yliopiston professori Päivi Törmän johtaman Quantum Dynamics -tutkimusryhmän väitöskirjatutkijat Kristian Arjas ja Jani Taskinen ovat kehittäneet uuden geometrisen suunnittelumenetelmän, joka mahdollistaa pienten valohurrikaanien eli vorteksien luomiseen. Vortekx on valosäteessä esiintyvä hurrikaanin kaltainen ilmiö, jossa kirkkaan valon rengas ympäröi rauhallista ja pimeää keskustaa – kuin hurrikaanin silmää.
Vorteksin silmä on pimeä, koska kirkkaan valon sähkökenttä osoittaa eri suuntiin säteen eri puolilla. Jo aiemmin tutkijat ovat 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”, professori Päivi Törmä kuvailee.
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”, kertoo tutkimusryhmän tutkija Jani Taskinen.
Aalto-yliopiston tutkimusryhmän löytö avaa edelleen kokonaan 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”, kertoo ryhmän väitöskirjatutkija Kristian Arjas.
Uusista tuloksista huolimatta käytännön sovellukset ovat vielä vuosien päässä, joten Quantum Dynamics -ryhmä jatkaa tutkimustaan esimerkiksi superjohtavuuden ja orgaanisen LED-teknologian parissa.
Lisää: Nature Communications: High topological charge lasing in quasicrystals (LINKKI).
Kuva: Kuvassa havainnekuva kvasikristallikuviosta. Tutkijat hyödynsivät ratkaisuissaan kansallista nano-, mikro- ja kvanttiteknologian tutkimusinfrastruktuuri OtaNanoa.