Bij EPFL, onderzoekers dagen een fundamentele wet uit en ontdekken dat er meer elektromagnetische energie kan worden opgeslagen in golfgeleidende systemen dan eerder werd gedacht. De ontdekking heeft gevolgen voor de telecommunicatie. Werken rond de fundamentele wet, ze bedachten resonerende en golfgeleidende systemen die in staat zijn om energie over een langere periode op te slaan met behoud van een brede bandbreedte. Hun truc was om asymmetrische resonante of golfgeleidende systemen te creëren met behulp van magnetische velden.

De studie, die zojuist is gepubliceerd in Wetenschap , werd geleid door Kosmas Tsakmakidis, eerst aan de Universiteit van Ottawa en vervolgens aan EPFL's Bionanophotonic Systems Laboratory, gerund door Hatice Altug, waar de onderzoeker nu postdoctoraal onderzoek doet.

Deze doorbraak zou een grote impact kunnen hebben op veel gebieden in de techniek en natuurkunde. Het aantal potentiële toepassingen is bijna oneindig, met telecommunicatie, optische detectiesystemen en het oogsten van breedbandenergie zijn slechts enkele voorbeelden.

Wederkerigheid opzij zetten

Resonantie- en golfgeleidende systemen zijn aanwezig in de overgrote meerderheid van optische en elektronische systemen. Hun rol is om tijdelijk energie op te slaan in de vorm van elektromagnetische golven en deze vervolgens vrij te geven. Al meer dan 100 honderd jaar, deze systemen werden tegengehouden door een beperking die als fundamenteel werd beschouwd:de tijdsduur dat een golf kon worden opgeslagen, was omgekeerd evenredig met de bandbreedte ervan. Deze relatie werd geïnterpreteerd als te betekenen dat het onmogelijk was om grote hoeveelheden gegevens gedurende een lange periode op te slaan in resonerende of golfgeleidende systemen, omdat het vergroten van de bandbreedte een vermindering van de opslagtijd en de kwaliteit van de opslag betekende.

Deze wet werd voor het eerst geformuleerd door K.S. Johnson in 1914, bij Western Electric Company (de voorloper van Bell Telephone Laboratories). Hij introduceerde het concept van de Q-factor, volgens welke een resonator ofwel energie voor een lange tijd kan opslaan of een brede bandbreedte kan hebben, maar niet allebei tegelijk. Het verhogen van de opslagtijd betekende het verminderen van de bandbreedte, en vice versa. Een kleine bandbreedte betekent een beperkt aantal frequenties (of 'kleuren') en dus een beperkte hoeveelheid data.

Tot nu, dit concept was nooit uitgedaagd. Natuurkundigen en ingenieurs hadden altijd resonantiesystemen gebouwd, zoals die om lasers te produceren, elektronische circuits maken en medische diagnoses stellen - met deze beperking in gedachten.

Maar die beperking behoort nu tot het verleden. De onderzoekers kwamen met een hybride resonant / golfgeleidend systeem gemaakt van een magneto-optisch materiaal dat, wanneer een magnetisch veld wordt aangelegd, kan de golf stoppen en voor een langere periode opslaan, waardoor grote hoeveelheden energie worden verzameld. Wanneer het magnetische veld wordt uitgeschakeld, de gevangen puls wordt vrijgegeven.

Met zulke asymmetrische en niet-wederkerige systemen, het was mogelijk om een ​​golf voor een zeer lange tijd op te slaan met behoud van een grote bandbreedte. De conventionele tijdbandbreedtelimiet werd zelfs met een factor 1 overtroffen. 000. De wetenschappers toonden verder aan dat, theoretisch, er is geen bovengrens aan deze limiet in deze asymmetrische (niet-wederkerige) systemen.

"Het was een moment van openbaring toen we ontdekten dat deze nieuwe structuren helemaal geen tijdbandbreedtebeperking hadden. Deze systemen zijn anders dan wat we allemaal al tientallen jaren gewend zijn, en mogelijk honderden jaren", zegt Tsakmakidis, hoofdauteur van de studie. "Hun superieure prestaties op het gebied van golfopslagcapaciteit zouden echt een mogelijkheid kunnen zijn voor een reeks opwindende toepassingen in diverse hedendaagse en meer traditionele onderzoeksgebieden." Hatice Altug voegt toe.

Medicijn, het milieu en telecommunicatie

Een mogelijke toepassing is het ontwerpen van extreem snelle en efficiënte volledig optische buffers in telecommunicatienetwerken. De rol van de buffers is om gegevens die via optische vezels in de vorm van licht binnenkomen tijdelijk op te slaan. Door de massa aan gegevens te vertragen, het is gemakkelijker te verwerken. Tot nu toe, de opslagkwaliteit was beperkt.+

Met deze nieuwe techniek, het moet mogelijk zijn om het proces te verbeteren en grote bandbreedtes aan gegevens voor langere tijd op te slaan. Andere mogelijke toepassingen zijn on-chip spectroscopie, breedband licht oogsten en energieopslag, en breedband optische camouflage ("onzichtbaarheidsverhulling"). "De gerapporteerde doorbraak is volkomen fundamenteel - we geven onderzoekers een nieuwe tool. En het aantal toepassingen wordt alleen beperkt door iemands verbeeldingskracht, " vat Tsakmakidis samen.