Cientistas criam dimensões sintéticas para entender melhor as leis fundamentais do universo

Os humanos experimentam o mundo em três dimensões, mas uma colaboração no Japão desenvolveu um método para criar dimensões sintéticas para entender melhor as leis básicas do universo e possivelmente aplicá-las a tecnologias avançadas.

Eles publicaram seus resultados hoje (28 de janeiro de 2022) em progresso da ciência.

“O conceito de dimensões tornou-se um marco em diversos campos da física e tecnologia contemporânea nos últimos anos”, disse o autor do artigo Toshihiko Baba, professor do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade Nacional de Yokohama. “Embora as investigações sobre materiais e estruturas de baixa dimensão tenham sido frutíferas, rápidos desenvolvimentos na topologia revelaram uma abundância de outros fenômenos potencialmente úteis, dependendo das dimensões do sistema, excedendo até as três dimensões espaciais disponíveis no mundo ao nosso redor”.

Topologia refere-se a uma extensão da geometria que descreve matematicamente espaços com propriedades conservadas em distorção contínua, como a distorção de uma faixa de Möbius. Quando combinados com a luz, de acordo com Baba, esses espaços físicos podem ser direcionados de uma forma que permite aos pesquisadores criar fenômenos muito complexos.

No mundo real, da linha ao quadrado ao cubo, cada dimensão fornece mais informações e também requer mais conhecimento para descrevê-las com precisão. Na fotônica topológica, os pesquisadores podem criar dimensões adicionais do sistema, permitindo maiores graus de liberdade e manipulação multifacetada de propriedades anteriormente inacessíveis.

“Dimensões artificiais tornaram possível explorar conceitos de dimensões mais altas em dispositivos de dimensões mais baixas de menor complexidade, bem como alimentar funções críticas de dispositivos, como isolamento óptico no chip”, disse Papa.

O ressonador cíclico modificado internamente feito usando fotônica de silício gera uma escada de frequência. Crédito: Universidade Nacional de Yokohama

Os pesquisadores fizeram uma dimensão artificial em um ressonador de anel de silício, usando a mesma técnica usada para construir semicondutores de óxido metálico complementar (CMOS), um chip de computador que pode armazenar alguma memória. Um ressonador de anel aplica guias para controlar e dividir as ondas de luz de acordo com parâmetros específicos, como certas bandas.

De acordo com Baba, o dispositivo óptico do ressonador de anel de silício adquiriu espectros ópticos “tipo pente”, resultando em modos emparelhados consistentes com um modelo unidimensional. Em outras palavras, o dispositivo produziu uma propriedade mensurável – uma dimensão sintética – que permitiu aos pesquisadores inferir informações sobre o resto do sistema.

Embora o dispositivo atualizado inclua um único loop, mais podem ser empilhados para efeitos em cascata e os sinais de frequência óptica são rapidamente distinguidos.

Fundamentalmente, Baba disse que sua plataforma, mesmo com loops empilhados, é muito menor e compacta do que os métodos anteriores, que usavam fibras ópticas conectadas a vários componentes.

“A plataforma de chip óptico de silício mais escalável oferece avanços significativos, permitindo que a fotônica de dimensão sintética aproveite um kit de ferramentas de fabricação CMOS comercial sofisticado e avançado, enquanto cria meios para que fenômenos topológicos multidimensionais sejam alimentados em novos aplicativos de dispositivos”, disse Baba. .

A flexibilidade do sistema, incluindo a capacidade de reconfigurá-lo conforme necessário, complementa os espaços fixos equivalentes no espaço real, o que pode ajudar os pesquisadores a contornar as restrições dimensionais do espaço real para entender fenômenos além das três dimensões, de acordo com Baba.

“Este trabalho demonstra o potencial de usar fótons dimensionais topológicos e sintéticos na prática com uma plataforma de integração para fotônica de silício”, disse Baba. “Em seguida, planejamos coletar todos os elementos ópticos de dimensões topológicas e sintéticas para construir um circuito topológico integrado”.

Referência: “Synthetic Dimensional Band Structures on the Si CMOS Optical Platform” 28 de janeiro de 2022 Disponível aqui progresso da ciência.
DOI: 10.1126 / sciadv.abk0468

Outros colaboradores incluem Armandas Palitis e John Maeda, Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade Nacional de Yokohama; Tomoki Ozawa, Instituto Avançado de Pesquisa de Materiais, Universidade de Tohoku; e Yasutomo Ota e Satoshi Iwamoto, Instituto de Nanoeletrônica de Informação Quântica, Universidade de Tóquio. A OTA também é afiliada ao Departamento de Física Aplicada e Informática Física da Universidade de Keio. Iwamoto também é afiliado ao Centro de Pesquisa Avançada em Ciência e Tecnologia e ao Instituto de Ciências Industriais da Universidade de Tóquio.

Esta pesquisa foi apoiada pela Agência de Ciência e Tecnologia do Japão (JPMJCR19T1, JPMJPR19L2), a Sociedade Japonesa para a Promoção da Ciência (JP20H01845) e RIKEN.