Fyysikot löysivät mullistavan uuden tavan välittää suuria tietomääriä laservalon avulla

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.

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