På EPFL, forskare utmanar en grundlag och upptäcker att mer elektromagnetisk energi kan lagras i vågledande system än man tidigare trott. Upptäckten har konsekvenser för telekommunikation. Att arbeta kring den grundläggande lagen, de tänkt resonans- och vågledande system som kan lagra energi under en längre period samtidigt som de håller en bred bandbredd. Deras trick var att skapa asymmetriska resonans- eller vågledande system med magnetfält.

Studien, som just har publicerats i Vetenskap , leddes av Kosmas Tsakmakidis, först vid University of Ottawa och sedan vid EPFL:s Bionanophotonic Systems Laboratory som drivs av Hatice Altug, där forskaren nu gör postdoktoral forskning.

Detta genombrott kan få stor inverkan på många områden inom teknik och fysik. Antalet potentiella applikationer är nära oändligt, med telekommunikation, optiska detektionssystem och bredbandsenergihörning som bara representerar några exempel.

Att kasta ömsesidighet åt sidan

Resonant- och vågstyrningssystem finns i de allra flesta optiska och elektroniska system. Deras roll är att tillfälligt lagra energi i form av elektromagnetiska vågor och sedan släppa dem. I mer än 100 hundra år har dessa system hölls tillbaka av en begränsning som ansågs vara grundläggande:hur länge en våg kunde lagras var omvänt proportionell mot dess bandbredd. Detta förhållande tolkades så att det var omöjligt att lagra stora mängder data i resonanta eller vågledande system under en lång tid eftersom ökad bandbredd innebar minskad lagringstid och lagringskvalitet.

Denna lag formulerades först av K.S. Johnson 1914, på Western Electric Company (föregångaren till Bell Telephone Laboratories). Han introducerade begreppet Q -faktor, enligt vilken en resonator antingen kan lagra energi under lång tid eller ha en bred bandbredd, men inte båda samtidigt. Ökning av lagringstiden innebar minskad bandbredd, och vice versa. En liten bandbredd betyder ett begränsat frekvensområde (eller "färger") och därför en begränsad mängd data.

Tills nu, detta koncept hade aldrig utmanats. Fysiker och ingenjörer hade alltid byggt resonanssystem - som för att producera lasrar, göra elektroniska kretsar och utföra medicinska diagnoser - med denna begränsning i åtanke.

Men den begränsningen är nu ett minne blott. Forskarna kom med ett hybridresonant / vågledande system tillverkat av ett magnetooptiskt material som, när ett magnetfält appliceras, kan stoppa vågen och lagra den under en längre tid, därigenom ackumuleras stora mängder energi. När magnetfältet sedan är avstängt, den instängda pulsen släpps.

Med sådana asymmetriska och icke-ömsesidiga system, det var möjligt att lagra en våg under en mycket lång tid samtidigt som den bibehöll en stor bandbredd. Den konventionella gränsen för tid-bandbredd slogs till och med med en faktor 1, 000. Forskarna visade vidare att, teoretiskt sett, det finns inget övre tak för denna gräns alls i dessa asymmetriska (icke-ömsesidiga) system.

"Det var ett ögonblick av uppenbarelse när vi upptäckte att dessa nya strukturer inte alls hade någon tidsbandbreddsbegränsning. Dessa system är till skillnad från vad vi alla har varit vana vid i decennier, och möjligen hundratals år ", säger Tsakmakidis, studiens huvudförfattare. "Deras överlägsna prestanda för våglagringskapacitet kan verkligen vara en möjliggörare för en rad spännande applikationer inom olika samtida och mer traditionella forskningsområden." Hatice Altug tillägger.

Medicin, miljö och telekommunikation

En möjlig applikation är utformningen av extremt snabba och effektiva alloptiska buffertar i telekommunikationsnät. Buffertens roll är att tillfälligt lagra data som kommer i form av ljus genom optiska fibrer. Genom att bromsa massan av data, det är lättare att bearbeta. Tills nu, lagringskvaliteten hade varit begränsad.+

Med denna nya teknik, det borde vara möjligt att förbättra processen och lagra stora bandbredder med data under långa tider. Andra möjliga tillämpningar inkluderar spektroskopi på chip, bredbandshantering och energilagring, och bredbandsoptisk kamoufling ("osynlighetskappning"). "Det rapporterade genombrottet är helt fundamentalt - vi ger forskare ett nytt verktyg. Och antalet ansökningar begränsas bara av ens fantasi, "sammanfattar Tsakmakidis.