科学者たちは、制限なしに情報を送信するための新しい光アンテナを作成しました

カリフォルニア大学バークレー校の研究者は、光波の特性を利用して、運ぶデータの量を大幅に増やすことができる新しい方法を発見しました。彼らは、コンピューターのチップに収まるほど小さい、人間の髪の毛ほどの大きさの同心円状のリングからなるアンテナからの離散的なねじれレーザービームの放射を実証しました。

Nature Physics誌に掲載された記事で報告された新作は、コヒーレント光源によって多重化または同時に送信できる情報の量を広く開示しています。多重化の一般的な例は、1本のワイヤを介した複数の電話の送信ですが、直接多重化できるコヒーレントツイスト光波の数には基本的な制限がありました。

カリフォルニア大学バークレー校の電気およびコンピューターサイエンス学部の主任研究員であるBoubacarKante氏は、ツイスト光レーザーが直接多重化されたのはこれが初めてだと述べた。

私たちは世界でデータの爆発的な増加を経験しており、現在の通信チャネルはまもなく必要なものに対して不十分になります。私たちが報告している技術は、軌道角運動量と呼ばれる光の特性を通じて、現在のデータ容量の制限を克服しています。これは、生物学的イメージング、量子暗号、高性能通信、センサーに応用できるゲームチェンジャーです。

カンテ氏によると、電磁波を使っ​​て信号を送信する最新の方法は限界に達しつつあるという。たとえば、周波数が飽和状態になっているため、ラジオでチューニングできるステーションが非常に多くなっています。光波が水平または垂直の2つの値に分割される偏光は、送信される情報の量を2倍にすることができます。

映画製作者はこれを利用して3Dフィルムを作成し、特殊なメガネをかけた視聴者が2セットの信号を受信できるようにします。1つは各目に1つずつで、立体効果と奥行きの錯覚を作り出します。

渦のポテンシャルの使用：

しかし、周波数と偏光を超えて、軌道角運動量（OAM）があります。これは、データ送信に指数関数的に広い帯域幅を提供するため、科学者の注目を集めている光の特性です。 OUMを表す1つの方法は、竜巻の渦巻きと比較することです。

無限の自由度を持つ光の渦は、原則として、無制限の量のデータをサポートできるとカンテ氏は語った。課題は、無限の数のOAMビームを確実に生成する方法を見つけることでした。このようなコンパクトなデバイスでこれほど高い電荷のOAMビームを生成した人は誰もいません。

研究者たちは、電磁気学の最も重要なコンポーネントの1つであるアンテナから始め、現在の5Gおよび将来の6Gテクノロジーの中心であると述べました。この研究のアンテナはトポロジー的であり、デバイスがねじれたり曲がったりしても基本的な特性が維持されることを意味します。

光の輪を作る：

トポロジカルアンテナを作成するために、研究者は電子ビームリソグラフィーを使用して、半導体材料であるインジウム-ガリウム砒素ホスファイドにグリッドをエッチングし、構造をイットリウム鉄ガーネット表面に取り付けました。

研究者たちは、3つの同心円の形で量子井戸を形成するグリッドを開発しました。これは、光子を捕捉するための最大の直径約50ミクロンです。この設計は、光を一方向にのみリング状に移動させる磁場が印加されたときの光子の移動を表す、フォトニック量子ホール効果として知られる現象をサポートするための条件を作成しました。

カンテ氏によると、磁場による量子ホール効果は電子機器では使用できるが、光周波数での既存の材料の磁性が弱いため、光学系では使用できないと人々は考えていた。私たちは、量子ホール効果が実際に光に対して機能することを最初に示しました。

研究者たちは、2次元の微細構造に垂直な磁場を印加することにより、表面上の円軌道を移動する3つのOUMレーザービームを生成することに成功しました。この研究はまた、レーザービームの量子数が276と高いことを示しました。これは、光が同じ波長でその軸を中心に回転する回数を意味します。

量子数が大きいということは、アルファベットの文字が多いようなものだとカンテ氏は語った。 -私たちは、光がその語彙を拡大することを許可します。私たちの研究では、通信波長でこの能力を実証しましたが、原則として、他の周波数帯域にも適応させることができます。データレートに3を掛けて3つのレーザーを作成しましたが、ビーム数やデータ容量に制限はありません。

科学者たちは、次のステップは量子ホールリングを作成することだと言います。