Эксперименты со светом 31 января 2022, 18:11
  • Ольга Мурая

Созданы синтетические измерения, которые помогут понять законы Вселенной

Учёные из Японии использовали систему зеркал, направляющую лучи света таким образом, чтобы создавались синтетические измерения, ещё не известные человеку.

Люди воспринимают окружающее пространство в трёх измерениях. На этом построена геометрическая модель нашего привычного мира, в котором все (или почти все) объекты можно измерить в длину, ширину и высоту.

Теперь же японские исследователи разработали метод создания дополнительных синтетических измерений, которые помогут лучше понять фундаментальные законы Вселенной и попытаться использовать их в передовых технологиях.

"Понятие измерений стало центральным элементом в различных областях современной физики и техники в последние годы", – говорит автор работы Тосихико Баба (Toshihiko Baba), профессор Йокогамского национального университета.

Сегодня мир уже не удивишь новым способом получения графена (двумерная модификация углерода) и квантовыми технологиями (одномерный материал). А как на счёт большего количества измерений?

"В то время как исследования материалов и структур с меньшим количеством измерений [двумерные и одномерные] были плодотворными, – добавляет Баба, – быстрый прогресс в топологии открыл дальнейшее изобилие потенциально полезных явлений, зависящих от измерений системы и выводящее нас за пределы трёх пространственных измерений, доступных в окружающем мире".

Топология — это раздел геометрии, который математически описывает пространства со свойствами, которые сохраняются при непрерывной деформации. Пожалуй, самым известным примером топологического объекта является лента Мёбиуса. У неё всего две поверхности: сторона и край.

По словам авторов исследования, использование света позволяет преобразовать такие физические пространства и получить очень сложные явления.

В реальном мире, от линии (одно измерение) до квадрата (два) и куба (трёхмерный объект), каждое новое измерение даёт всё больше информации, но при этом требует больше знаний для его точного описания.

То есть чтобы описать линию, мы должны знать о понятии длины, квадрат — длины и ширины, а, чтобы описать куб, нам должно быть известно понятие высоты.

В топологической фотонике учёные могут создавать дополнительные измерения системы, получая больше степеней свободы и создавая способы многогранного управления ранее недоступными свойствами.

В этот раз исследователи создали синтетическое "четвёртое" измерение на кремниевом кольцевом резонаторе, используя тот же подход, который применялся для создания комплементарных структур металл-оксид-полупроводник (КМОП). Они представляют собой микрочипы, на которых можно хранить информацию.

Кольцевой резонатор позволяет расщеплять световые волны в соответствии с определёнными заранее параметрами, к примеру, полосами пропускания.

Учёные изменили кремниевый кольцевой резонатор таким образом, чтобы он выдавал оптический спектр в виде "расчёски".

Устройство кольцевого резонатора. Перевод Вести.Ru.

В результате физикам удалось создать измеримое свойство — оно и являлось тем самым синтетическим измерением — с помощью которого исследователи имели возможность получить информацию об остальной "невидимой" части системы.

Таким образом достаточно простое в своей организации устройство позволило узнать больше о попадающем в него излучении. Ранее для получения тех же параметров требовалось подключение оптоволокна, по которому направляется свет, к целому набору сложных устройств.

Японские инженеры отмечают, что разработанная ими система состоит всего из одного устройства. Однако его можно объединить с другими кольцевыми резонаторами для получения каскадного эффекта, и тогда нужные характеристики оптических сигналов можно будет определять ещё быстрее.

Также важным преимуществом новинки с синтетическими измерениями является то, что даже при добавлении других колец устройство будет намного меньше и компактнее, чем предыдущие системы, выполняющие те же функции.

Гибкость системы, в том числе возможность реконфигурировать её по мере необходимости, позволяет проводить постоянные измерения в реальном пространстве. Это может помочь исследователям обойти "измеренческие" ограничения реального пространства и понять явления даже за пределами трёх измерений.

Данная работа показывает, что учёные могут найти практическое применение синтетическим измерениям. В дальнейшем они планируют собрать в единую схему топологические и "синтетические" фотонные элементы.

Результаты исследования учёных из Японии были опубликованы в научном журнале Science Advances.

Напомним, ранее мы писали о том, что "услышать" новые измерения помогут гравитационные волны, а также мы рассказывали о том, куда ведут чёрные дыры.

Кроме того, мы писали о том, что чувство тревоги, возникающее при попытках разобраться в пространственных измерениях, часто передаётся по наследству.

Больше новостей из мира науки вы найдёте в разделе "Наука" на медиаплатформе "Смотрим".

Читайте также

Видео по теме

Эфир

Лента новостей

Авто-геолокация