Uutiset

Fyysikot löysivät mullistavan uuden tavan välittää suuria tietomääriä laservalon avulla

Valon ja sähkömagneettisten kenttien hallintaan pienissä valohurrikaaneissa keskittyvän tutkimuksen tulos voisi moninkertaistaa optisten kaapelien kautta kuljetettavan tiedon määrää.
""

Monet modernin yhteiskunnan palvelut, kuten internet, perustuvat tietoliikenteeseen, jossa tietoa koodataan laservaloon ja välitetään sen avulla optisia kaapeleita pitkin.  Jatkuvasti kasvava tiedonsiirtokapasiteetin tarve asettaa kuitenkin paineita kehittää entistä tehokkaampia koodausmenetelmiä.

Aalto-yliopiston teknillisen fysiikan laitoksen tutkijat ovat nyt kehittäneet uuden menetelmän, joka voi merkittävästi kasvattaa tätä optisten kaapeleiden tiedonsiirtokapasiteettia.  Menetelmä perustuu valon ja sähkömagneettisten kenttien hallintaan niin sanotuissa valohurrikaaneissa eli vortekseissa.

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. "Kvasikiteeksi" kutsuttujen rakenteiden avulla voidaan koodata ja välittää tietoa huomattavasti nykyistä tehokkaammin.

Puolivälissä järjestystä ja kaaosta

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 aiemmin osoittaneet, että vorteksien ominaisuudet riippuvat niitä tuottavan rakenteen symmetriasta.  Esimerkiksi neliöihin järjestetyt nanoskaalan hiukkaset tuottavat yhden vorteksin; kuusikulmainen rakenne tuottaa kaksoisvorteksin ja niin edelleen. Näitä monimutkaisempien vorteksien tuottaminen vaatii siis vähintään kahdeksankulmaisia rakenteita.

Nyt Arjas ja Taskinen ovat yhdessä muun tutkimusryhmän kanssalöytäneet menetelmän sellaisten geometristen muotojen luomiseen, jotka voivat teoriassa tuottaa lähes minkä tahansa tyyppisiä vortekseja.

"Tässä tutkimuksessa tarkastellaan vorteksin symmetrian ja rotaation välistä suhdetta, eli minkälaisia vortekseja voimme tuottaa minkälaisilla symmetrioilla. Kvasikiteemme on tavallaan puoliksi järjestystä ja puoliksi kaaosta," Törmä sanoo.

""
Kvasikristalli mahdollistaa teoriassa mitkä tahansa vorteksit. Kuva: Jani Taskinen/Aalto-yliopisto.

Hyviä värähtelyjä

Tutkimuksessaan 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.

“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.

Vaikka käytännön sovellukset ovat vielä vuosien päässä, Quantum Dynamics -ryhmä jatkaa tutkimustaan muun muassa superjohtavuuden ja orgaanisen LED-teknologian parissa. 

Tutkimusryhmä hyödynsi uraauurtavassa tutkimuksessaan kansallista nano-, mikro- ja kvanttiteknologian tutkimusinfrastruktuuri OtaNanoa.

Tutkimus julkaistiin marraskuun alussa Nature Communications -lehdessä: https://www.nature.com/articles/s41467-024-53952-5

Jani Taskinen

Contingent worker, Quantum Dynamics
Logo, jossa teksti 'Institute' ja tyylitelty 'Q', jossa on kultainen ja musta ympyrämuoto, valkoisella tekstuuritaustalla.

InstituteQ - The Finnish Quantum Institute (ulkoinen linkki)

InstituteQ koordinoi kvanttitutkimusta, -koulutusta sekä -liiketoimintaa Suomessa

Lähikuva tieteellisestä instrumentista, jossa kultaa ja pronssia, johtoja ja merkintöjä laboratoriossa.

OtaNano

Otaniemen mikro- ja nanoteknologioiden infrastruktuuri OtaNano on kansallinen tutkimusinfrastruktuuri kilpailukykyisen tutkimuksen harjoittamiseen nanotieteiden ja -teknologian sekä kvanttiteknologioiden alalla.

  • Päivitetty:
  • Julkaistu:
Jaa
URL kopioitu

Lue lisää uutisia

Palkintoseremonia lavalla, Tuulia Nikula saa vuoden nuori maisema-arkkitehti 2026 -palkinnon.
Palkinnot ja tunnustukset, Tutkimus ja taide Julkaistu:

Tuulia Nikula on vuoden nuori maisema-arkkitehti

Nikula palkitaan ennakkoluulottomana suunnannäyttäjänä, joka vie maisema-arkkitehtuuria sinne, missä toimintaympäristö on vielä kapea, mutta tarve suuri.
Selin kuvattu oranssipaitainen henkilö, jonka kuva vääristyy ulkona kaarevassa peilissä
Yhteistyö, Tutkimus ja taide Julkaistu:

Radikaalin luovuuden keskus käynnistää TT-säätiön tuella uuden yritysyhteistyön kokeilun

Pilotissa yritykset pääsevät etsimään ja testaamaan uusia tapoja ratkaista uudistumisen haasteita yhdessä Aalto-yliopiston kanssa.
Hymyileviä ihmisiä yleisön keskellä luentosalissa, juhlittavalla käsissään kukkakimppu.
Tutkimus ja taide Julkaistu:

Juhlaseminaari: Juhani Pallasmaan ajattelu elää laajasti arkkitehtuurissa

Arkkitehti Juhani Pallasmaan 90-vuotisjuhlaseminaari kokosi Aalto-yliopistoon kansainvälisesti tunnettuja arkkitehteja tarkastelemaan hänen ajattelunsa vaikutusta tämän päivän arkkitehtuuriin.
Muotokuva punatukkaisesta naisesta mustassa paidassa vihreää taustaa vasten, katse sivulle.
Palkinnot ja tunnustukset, Tutkimus ja taide Julkaistu:

Vuoden nuori suunnittelija on Camilla Naukkarinen

Vuoden nuori suunnittelija 2026 -kilpailun on voittanut Aalto-yliopistosta taiteen maisteriksi valmistunut Camilla Naukkarinen. Kilpailun voittanut työ rakentui käsin punotuista kukista, jotka on valmistettu hiuskuidusta ja metallilangasta.