Мини-вихри света способны переносить огромные объемы данных

Исследователями разработана квазикристаллическая структура, генерирующая световые мини-вихри, которые способны переносить огромные объемы данных. Она сформирована из металлических наночастиц, точно расположенных для генерации любого типа вихрей — через взаимодействие с пучком света в электрическом поле. Если применять данную структуру к оптическим волокнам, то она будет транслировать в 8-16 раз больше информации, нежели существующие системы.

Передача информации базируется в основном на кодировании фотонных данных. Оптоволокно сегодня остаётся наиболее широко используемым материалом для этих целей. Но спрос на информационные мощности всё растет, что требует разработки более продуктивных систем, способных кодировать и передавать более масштабные объемы данных.

Учёные в последние годы изучают световые вихри как средство оптимизации фотонного транспорта информации. Целью подобных вихрей является манипуляция топологическими дефектами в свете, для контроля способа его отражения и информации, что он несет. Часть топологических дефектов образуется спонтанно, они широко распространены в природе. Другие возникают благодаря симметрии в структуре материалов при взаимодействии со светом. Что влияет на форму и композицию образующегося вихря.

Так, материалы со структурой в виде квадратов либо булыжников генерируют простые вихри, шестиугольные — двойные и так далее. Наиболее сложные вихревые образования нуждаются, как минимум, в восьмиугольных структурах. Но создание подобных вихрей, сложных для кодировки данных, остаётся серьезной проблемой.

Новой разработке команды из финского Университета Аалто удалось преодолеть эти сложности и генерировать вихри любого типа. «В нашем представлении квазикристалл находится на полпути между порядком и хаосом», — поясняют участники исследования, опубликованного в журнале Nature Communications.

Конструкция — это квазикристалл, что состоит из металлических наночастиц. Как и традиционные кристаллы, квазикристаллы обладают дискретным дифракционным спектром, но, в отличие от классических аналогов, их структура не периодическая. Для сформирования квазикристалла исследователи манипулировали 100 000 металлических наночастиц с диаметром не более одной сотой человеческого волоса. Их подвергли взаимодействию с пучком света в контролируемом электрическом поле.

Структура образованного так светового вихря сравнима с циклоном, в его центре которого расположен спокойный темный «глаз», который окружен кольцом яркого света, что состоит из потоков, направленных в разные стороны. Для определения оптимального расположения для продуцирования сложных вихрей, командой был применен контринтуитивный подход. Это определение точек, в которых частицы минимально взаимодействуют с электрическим полем.

В электрическом поле есть горячие точки сильных колебаний и точки, где оно почти отсутствует. Учёные ввели частицы в «мертвые» участки, что позволило деактивировать все остальное и выбрать поле с самыми подходящими свойствами.

Этот алгоритм дал возможность настраивать узоры для генерации сложных вихревых структур. Учёные поясняют, что их квазикристаллическая конструкция базируется на теории групп для выявления узлов электромагнитного поля, где плазмонные наночастицы располагаются для максимального усиления. Теорией групп называют методику расчетов, что применяют для прогноза типа деформации, которой может быть подвергнута структура материала.

Данные сложные вихри позволяют хранить огромные объемы информации в ограниченном пространстве. Их можно транспортировать по оптоволокну, а далее распаковывать. Так можно будет транспортировать в 8-16 раз больше информации, чем сейчас возможно.