레이저 빔의 폭풍: 물리학자들이 엄청난 양의 데이터를 전송할 수 있는 '가벼운 허리케인'을 만들어내다

현대 생활의 많은 부분은 정보를 전달하는 수단에 대한 코딩에 달려 있습니다. 일반적인 방법은 레이저 빛으로 데이터를 인코딩하여 광 케이블을 통해 전송하는 것입니다. 더 많은 정보 용량에 대한 수요가 증가함에 따라 우리는 끊임없이 더 나은 인코딩 방법을 찾아야 합니다.

알토 대학교 응용물리학과의 연구원들은 과학자들에게 소용돌이로 알려진 작은 빛의 허리케인을 만드는 새로운 방법을 발견했으며, 이는 정보를 전달할 수 있습니다. 이 방법은 전기장과 상호 작용하는 금속 나노입자를 조작하는 것을 기반으로 합니다. 준결정으로 알려진 기하 구조의 한 종류에 속하는 이 설계 방법은 박사 연구원 크리스티안 아르하스가 고안했고, 박사 연구원 야니 타스키넨이 실험적으로 구현했습니다. 둘 다 파이비 퇴르매 교수의 양자 역학 그룹에 속합니다. 이 발견은 물리학에서 근본적인 진전을 나타내며, 완전히 새로운 정보 전달 방법에 대한 잠재력을 가지고 있습니다.

반은 질서이고 반은 혼돈이다

이 경우 소용돌이는 광선 속에서 발생하는 허리케인과 같으며, 조용하고 어두운 중심이 밝은 빛의 고리로 둘러싸여 있습니다. 허리케인의 눈이 주변 바람이 다른 방향으로 불어서 고요한 것처럼, 소용돌이의 눈은 광선의 다른 측면에서 다른 방향을 가리키는 밝은 빛의 전기장으로 인해 어둡습니다.

이전 물리학 연구에서는 어떤 종류의 소용돌이가 나타날 수 있는지와 소용돌이를 생성하는 구조에 얼마나 대칭성이 있는지를 연결했습니다. 예를 들어, 나노스케일의 입자가 정사각형으로 배열되면 생성된 빛은 단일 소용돌이를 가지고, 육각형은 이중 소용돌이를 생성합니다. 더 복잡한 소용돌이는 최소한 팔각형 모양이 필요합니다.

이제 아르하스, 타스키넨과 그의 팀은 이론적으로 모든 종류의 소용돌이를 뒷받침하는 기하학적 모양을 만드는 방법을 찾아냈습니다.

"이 연구는 소용돌이의 대칭성과 회전성 사이의 관계, 즉 어떤 종류의 소용돌이를 어떤 종류의 대칭성으로 생성할 수 있는지에 대한 것입니다. 우리의 준결정 설계는 질서와 혼돈의 중간 지점에 있습니다."라고 Törmä는 말합니다.

좋은 진동

이 연구에서 이 그룹은 각각 인간 머리카락 한 가닥의 100분의 1 크기인 100,000개의 금속 나노입자를 조작하여 고유한 디자인을 만들었습니다. 핵심은 입자가 원하는 전기장과 가장 많이 상호 작용하는 곳이 아니라 가장 적게 상호 작용하는 곳을 찾는 데 있었습니다.

'전기장은 진동이 심한 핫스팟과 본질적으로 죽은 지점이 있습니다. 우리는 죽은 지점에 입자를 도입하여 다른 모든 것을 차단하고 응용 분야에 가장 흥미로운 특성을 가진 필드를 선택할 수 있었습니다.'라고 타스키넨은 말합니다.

이 발견은 빛의 위상학적 연구라는 매우 활발한 분야에서 미래 연구에 대한 풍부한 정보를 제공합니다. 또한 통신을 포함하여 인코딩된 정보를 전송하는 데 빛이 필요한 영역에서 정보를 전송하는 강력한 방법에 대한 초기 단계를 나타냅니다.

'예를 들어, 우리는 이러한 소용돌이를 광섬유 케이블을 통해 보내고 목적지에서 풀어낼 수 있습니다. 이를 통해 훨씬 더 작은 공간에 정보를 저장하고 훨씬 더 많은 정보를 한 번에 전송할 수 있습니다. 얼마나 많은 정보를 낙관적으로 추측하면 현재 광섬유를 통해 전달할 수 있는 정보의 8~16배가 될 것입니다.' Arjas가 말합니다.

팀 설계의 실용적인 응용 및 확장성은 수년간의 엔지니어링이 필요할 가능성이 높습니다. 그러나 Aalto의 Quantum Dynamics 그룹은 초전도 연구와 유기 LED 개선으로 바쁘게 움직이고 있습니다.

이 그룹은 나노, 마이크로, 양자 기술을 위한 오타나노 연구 인프라를 선구적인 연구에 활용했습니다.

해당 연구는 11월 초 Nature Communications 에 게재되었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/11/241111123307.htm