Οι επιστήμονες έχουν ανακαλύψει νέα σωματίδια που θα μπορούσαν να βρίσκονται στην καρδιά μιας μελλοντικής τεχνολογικής επανάστασης που βασίζεται σε φωτονικά κυκλώματα, οδηγώντας σε πολύ γρήγορους υπολογιστές με βάση το φως.
Αυτή η εικόνα δείχνει στρώματα γραφένιου που χρησιμοποιούνται για τις μεμβράνες
Η τρέχουσα τεχνολογία υπολογιστών βασίζεται σε ηλεκτρονικά συστήματα, όπου τα ηλεκτρόνια χρησιμοποιούνται για την κωδικοποίηση και τη μεταφορά πληροφοριών.
Λόγω ορισμένων θεμελιωδών περιορισμών, όπως η απώλεια ενέργειας μέσω της θέρμανσης με την αντίσταση, αναμένεται ότι τα ηλεκτρόνια τελικά θα χρειαστεί να αντικατασταθούν από φωτόνια, οδηγώντας σε φουτουριστικούς υπολογιστές με φως που είναι πολύ πιο γρήγοροι και πιο αποδοτικοί από τους ηλεκτρονικούς.
Οι φυσικοί στο Πανεπιστήμιο του Έξετερ έχουν κάνει ένα σημαντικό βήμα προς την κατεύθυνση αυτού του στόχου, καθώς έχουν ανακαλύψει νέα σωματίδια μισά φως μισή ύλη, που κληρονομούν μερικά από τα αξιοσημείωτα χαρακτηριστικά του γραφένιου.
Αυτή η ανακάλυψη ανοίγει την πόρτα για την ανάπτυξη των φωτονικών κυκλωμάτων χρησιμοποιώντας αυτά τα εναλλακτικά σωματίδια, γνωστά ως άμαζα πολαριτόνια Dirac, για να μεταφέρουν πληροφορίες παρά ηλεκτρόνια.
Τα πολαριτόνια είναι ψευδο-σωματίδια με μοναδικές ιδιότητες, μεταξύ των οποίων η συμπύκνωσή τους, όταν πολλά από αυτά συνυπάρχουν στον ίδιο μικρό χώρο, με τον ίδιο τρόπο που συμπυκνώνονται οι σταγόνες του νερού, όταν υπάρχει πολλή υγρασία (εξ ου και ο όρος «υγρό» φως). Το ρευστό αυτό φως μπορεί να κινηθεί προς τη φορά των δεικτών του ρολογιού ή αντίστροφα.
Τα πολαριτόνια είναι δέκα χιλιάδες φορές ελαφρύτερα από τα ηλεκτρόνια και σχηματίζουν μια κατάσταση της ύλης γνωστή ως συμπύκνωμα Bose-Einstein. Σε αυτήν, οι κβαντικές φάσεις των πολαριτονίων συγχρονίζονται και δημιουργούν ένα μακροσκοπικό κβαντικό αντικείμενο, ανιχνεύσιμο μέσω μετρήσεων φωτοφωταύγειας. Η δυνατότητα ανίχνευσης των πολαριτονίων, αν συνδυασθεί με την υπολογιστική διαδικασία, επιτρέπει την εύρεση της καλύτερης δυνατής λύσης σε ένα πολύπλοκο πρόβλημα.
Τα πολαριτόνια του Dirac εμφανίζονται σε μεταεπιφάνειες με κηρήθρες, οι οποίες είναι εξαιρετικά λεπτά υλικά που έχουν σχεδιαστεί ώστε να έχουν δομή στη νανοκλίμακα, πολύ μικρότερη από το μήκος κύματος του φωτός.
Ένα μοναδικό χαρακτηριστικό των σωματιδίων Dirac είναι ότι μιμούνται σχετικιστικά σωματίδια χωρίς μάζα, επιτρέποντάς τους να ταξιδεύουν πολύ αποτελεσματικά. Το γεγονός αυτό καθιστά το γραφένιο ένα από τα πιο αγώγιμα υλικά που είναι γνωστά στον άνθρωπο.
Ωστόσο, παρά τις εξαιρετικές ιδιότητές τους, είναι πολύ δύσκολο να τα ελέγξουμε. Για παράδειγμα, στα γραφένια είναι αδύνατο να ενεργοποιήσετε / απενεργοποιήσετε τα ηλεκτρικά ρεύματα χρησιμοποιώντας απλά ηλεκτρικά δυναμικά, εμποδίζοντας έτσι την πιθανή εφαρμογή του γραφένιου σε ηλεκτρονικές συσκευές.
Αυτό το βασικό μειονέκτημα – η έλλειψη συντονισιμότητας – έχει ξεπεραστεί επιτυχώς με μοναδικό τρόπο από τους φυσικούς στο Πανεπιστήμιο του Exeter.
Ο Charlie-Ray Mann, ο κύριος συγγραφέας της δημοσίευσης στο Nature Communications , εξηγεί: “Για το γραφένιο, κάποιος συνήθως πρέπει να τροποποιήσει αυτό το πλέγμα σαν κηρήθρα, για να αλλάξει τις ιδιότητές του που είναι εξαιρετικά δύσκολο να το ελέγξετε. ”
“Η βασική διαφορά εδώ είναι ότι τα πολαριτόνια του Dirac είναι υβριδικά σωματίδια, ένα μείγμα φωτός και ύλης. Αυτή η υβριδική φύση μας παρουσιάζει έναν μοναδικό τρόπο για να συντονιστούν οι θεμελιώδεις ιδιότητές τους, χειριζόμενοι μόνο το φωτεινό συστατικό τους, κάτι που είναι αδύνατο να γίνει στο γραφένιο. ”
Οι ερευνητές καταδεικνύουν ότι με την ενσωμάτωση της μεταεπιφάνειας κηρήθρας ανάμεσα σε δύο ανακλαστικούς καθρέφτες και την αλλαγή της απόστασης μεταξύ τους μπορεί κανείς να συντονίσει τις θεμελιώδεις ιδιότητες των πολαριτονίων του Dirac με απλό, ελεγχόμενο και αναστρέψιμο τρόπο.
“Η εργασία μας έχει κρίσιμες συνέπειες για τους ερευνητικούς τομείς της φωτονικής και των σωματιδίων Dirac”, προσθέτει ο Eros Mariani, κύριος ερευνητής στη μελέτη.
“Έχουμε δείξει την ικανότητα να επιβραδύνουμε ή και να σταματάμε τα σωματίδια του Dirac και να τροποποιήσουμε την τεχνική τους εσωτερική δομή, τη χειρότητά τους, κάτι που είναι αδύνατον να γίνει στο ίδιο το γραφένιο.”
“Τα επιτεύγματα της δουλειάς μας θα αποτελέσουν ένα βασικό βήμα στην επερχόμενη επανάσταση των φωτονικών κυκλωμάτων”.
“Πηγή
