Aalto-yliopiston teknillisen fysiikan laitoksen tutkijat ovat kehittäneet uuden menetelmän, joka voi merkittävästi kasvattaa optisten kaapeleiden tiedonsiirtokapasiteettia. Menetelmä perustuu valon ja sähkömagneettisten kenttien hallintaan niin sanotuissa valohurrikaaneissa eli vortekseissa.
Monet modernin yhteiskunnan palvelut, kuten internet, perustuvat tietoliikenteeseen, jossa tietoa koodataan laservaloon ja välitetään sen avulla optisia kaapeleita pitkin. Jatkuvasti kasvava tiedonsiirtokapasiteetin tarve asettaa paineita kehittää entistä tehokkaampia koodausmenetelmiä.
Professori Päivi Törmän johtaman Quantum Dynamics -tutkimusryhmän väitöskirjatutkijat Kristian Arjas ja Jani Taskinen ovat kehittäneet uuden geometrisen suunnittelumenetelmän, joka mahdollistaa pienten valohurrikaanien luomisen. Tämä perustuu sähkömagneettisen kentän ja metallisten nanohiukkasten vuorovaikutukseen. ”Kvasikristalleiksi” kutsuttujen rakenteiden avulla voidaan koodata ja välittää tietoa huomattavasti nykyistä tehokkaammin.
Vorteksi on valosäteessä esiintyvä hurrikaanin kaltainen ilmiö, jossa kirkkaan valon rengas ympäröi rauhallista ja pimeää keskustaa – kuin hurrikaanin silmää. Tämä vorteksin silmä taas on pimeä, koska kirkkaan valon sähkökenttä osoittaa eri suuntiin säteen eri puolilla.
Tutkijat ovat jo aiemmin osoittaneet, että vorteksien ominaisuudet riippuvat niitä tuottavan rakenteen symmetriasta. Esimerkiksi neliöihin järjestetyt nanoskaalan hiukkaset tuottavat yhden vorteksin; kuusikulmainen rakenne tuottaa kaksoisvortexin ja niin edelleen. Näitä monimutkaisempien vorteksien tuottaminen vaatii siis vähintään kahdeksankulmaisia rakenteita.
Uusi menetelmä voi teoriassa tuottaa lähes millaisia vortekseja tahansa.
– Tässä tutkimuksessa tarkastellaan vorteksin symmetrian ja rotaation välistä suhdetta, eli minkälaisia vortekseja voimme tuottaa minkälaisilla symmetrioilla. Kvasikristallimme on tavallaan puoliksi järjestystä ja puoliksi kaaosta, Päivi Törmä toteaa tiedotteessa.
Tutkimuksessa ryhmä manipuloi 100 000 metallista nanohiukkasta, kukin kooltaan noin sadasosa ihmisen hiuksen paksuudesta, luodakseen tämän ainutlaatuisen asetelmansa. Keskeistä oli löytää sellaiset asettelut, joissa hiukkasten vuorovaikutus sähkömagneettisen kentän kanssa oli mahdollisimman vähäistä.
Tutkimus on julkaistu marraskuun alussa Nature Communications -tiedelehdessä.
– Sähköisessä kentässä on voimakkaita värähtelykohtia ja toisaalta kohtia, joissa se on käytännössä kuollut. Veimme hiukkasia näihin kuolleisiin kohtiin, mikä sammutti kaiken muun, ja mahdollisti meille mielenkiintoisimpien kenttien valitsemisen sovelluksia varten, Taskinen sanoo.
Löytö avaa uusia tutkimusmahdollisuuksia hyvin aktiivisella valon topologian tutkimusalueella. Se on myös varhainen askel tehokkaalle tavalle välittää tietoa kaikkialle, missä käytetään valoa koodatun tiedon lähettämiseen, kuten esimerkiksi telekommunikaatiossa.
– Voisimme esimerkiksi lähettää näitä vortekseja optisia kuitukaapeleita pitkin ja purkaa ne määränpäässä. Tämä voisi kasvattaa tiedonsiirtokapasiteettia jopa 8–16-kertaiseksi nykyiseen verrattuna, Arjas sanoo.
