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".
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".
