Onderzoekers van de laboratoria van Lan Yang, de Edwin H. &Florence G. Skinner Professor, en Xuan "Silvia" Zhang, universitair hoofddocent, aan de McKelvey School of Engineering aan de Washington University in St. Louis, hebben de eerste volledig geïntegreerde pariteit ontwikkeld -tijd symmetrisch elektronisch systeem.

En het kan worden gemaakt zonder het gebruik van exotische materialen, waarvoor alleen dezelfde standaard micro-elektronische fabricagetechnologie nodig is die tegenwoordig wordt gebruikt voor gemeenschappelijke geïntegreerde schakelingen.

Het onderzoek werd op 17 maart gepubliceerd in het tijdschrift Nature Nanotechnology .

Met PT-symmetrische systemen kan de energiestroom op verrassende nieuwe manieren worden gemanipuleerd. Momenteel kunnen ze in een beperkt bereik werken, hetzij in het extreem laagfrequente akoestische domein of in het extreem hoogfrequente optische domein.

Deze nieuwe technologie implementeerde een concept met opmerkelijke wiskundige eigenschappen afkomstig uit de kwantumfysica in een geïntegreerd circuit. Het opent een nieuw deel van het spectrum voor onderzoek in het giga- tot terahertz-bereik.

"Ons werk opent dit middelste deel (van het spectrum) dat cruciale microgolf- en millimetergolftoepassingen omvat; we vullen het gat", zei Zhang.

"Niemand ter wereld is in staat om PT-symmetrische systemen te bouwen die dit frequentiebereik dekken."

De sleutel tot deze systemen is het vermogen om het energieverlies van de ene resonator nauwkeurig in evenwicht te brengen met de versterking van een andere, gekoppelde resonator. Dit speciale evenwichtspunt is PT-symmetrie en het zorgt voor nieuwe en krachtige manieren om de stroom en lokalisatie van energie te manoeuvreren.

Een beeld dat in een spiegel wordt weerspiegeld, heeft een pariteitstransformatie - in de reflectie wordt een rechterhand omgekeerd en wordt een linkerhand en vice versa. Een video die achteruit wordt afgespeeld, is een voorbeeld van tijdomkering:de gebeurtenissen in de video gaan achteruit in de tijd.

Als beide transformaties tegelijkertijd worden uitgevoerd en "elkaar opheffen" - het systeem ziet er hetzelfde uit als vóór de transformaties - dan zou dat systeem PT-symmetrie hebben.

Een dergelijk concept is gebruikt in gekoppelde fotonische resonatorsystemen om nieuwe strategieën te ontwikkelen om de lichtstroom te regelen, zoals niet-reciproke lichttransmissie.

Het kunnen manipuleren van een extra deel van het elektromagnetische spectrum opent de mogelijkheid van nieuwe ontdekkingen en technologieën, zei Weidong Cao, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker in het laboratorium van Zhang.

In de praktijk zijn dit soort systemen belangrijke componenten voor radar-, draadloze communicatie- en energieoverdrachtsystemen. Op dit moment hebben de relevante onderdelen grote, magnetische kernen nodig. "Maar nu kunnen we ze verkleinen tot een chip met geïntegreerde schakelingen ter grootte van een vingernagel," zei Zhang.

Dankzij een nieuwe fabricagetechnologie is het systeem schaalbaar, waardoor het gemakkelijker wordt om te profiteren van nieuwe functionaliteit in bestaande technologieën.

"Geïntegreerde circuitfabricage en ons circuitontwerp stellen je in staat om specifiek te bouwen voor verschillende delen van het elektromagnetische spectrum," zei Cao.

"Onze resultaten laten zien dat de introductie van PT-symmetrie in de technologie van geïntegreerde schakelingen een breed scala aan op chips gebaseerde toepassingen ten goede zou kunnen komen, zoals frequentiemodulatie en manipulatie van microgolfvoortplanting."

Yang zei dat ze onder de indruk is van het potentiële vermogen van de natuurkunde om technologie zo breed en onmiddellijk te beïnvloeden.

"Het is opwindend om de superieure prestaties en functie te demonstreren die mogelijk worden gemaakt door een nieuw ontwerp dat wordt geleid door fundamentele wetenschap op een platform dat op grote schaal is toegepast in de industrie", zei ze. + Verder verkennen

On-chip frequentieverschuivers in het gigahertz-bereik kunnen worden gebruikt in kwantumcomputers en -netwerken van de volgende generatie