Den pålidelige manipulation af den hastighed, hvormed lys bevæger sig gennem objekter, kan have værdifulde konsekvenser for udviklingen af forskellige avancerede teknologier, herunder højhastighedskommunikationssystemer og mængderinformationsbehandlingsenheder. Konventionelle metoder til manipulering af lysets hastighed, såsom teknikker, der udnytter såkaldte elektromagnetisk inducerede gennemsigtighed (EIT) effekter, fungerer ved at anvende kvanteinterferenseffekter i et medium, hvilket kan gøre det gennemsigtigt for at lyse bjælker og bremse lysets hastighed gennem det.
På trods af deres fordele muliggør disse teknikker kun den gensidige kontrol af gruppehastighed (dvs. den hastighed, hvorpå konvolutten af en bølgepakke bevæger sig gennem et medium), hvilket betyder, at en lysstråle vil opføre sig den samme uanset den retning, den kører ind, mens den passerer gennem en enhed. Alligevel kan den ikke -re -reciprokale kontrol af lyshastigheden være lige så værdifuld, især for udvikling af avancerede enheder, der kan drage fordel af at give signaler mulighed for at rejse i ønskede retninger med den ønskede hastighed.
Forskere ved University of Manitoba i Canada og Lanzhou University i Kina demonstrerede for nylig den ikke -re -reciprocale kontrol af lysets hastighed ved hjælp af et hulrum Magnonics -enhed, et system, der parrer mikrobølgefotoner (dvs. kvanta af mikrobølgelys) med magnoner (dvs. kvanta af oscillationerne af elektron spins i materialer).
De Magnonics-baserede metoder, de anvendte, skitseret i et papir, der er offentliggjort i Fysiske gennemgangsbrevekunne bidrage til fremme af mikrobølgesignalkommunikation, neuromorf computing og kvantekredsløb.
“I 2019 demonstrerede min gruppe en ny metode til at producere dissipativ kobling i hybridhulrum Magnonics Systems,” fortalte Can-Ming Hu, leder af den dynamiske Spintronics-gruppe ved University of Manitoba, til LektieForum.
“Vores teknik, præsenteret i et papir, der er offentliggjort i Fysiske gennemgangsbrevemuliggør nonreciprocal signaltransmission med et betydeligt isoleringsforhold og fleksibel kontrolbarhed. “
Som en del af deres tidligere arbejde forsøgte Hu og hans kolleger specifikt at manipulere lysets amplitude (dvs. den maksimale styrke af en lysbølges elektrisk eller magnetisk felt), der kun rejste i en retning. Alligevel besidder lys også en anden grundlæggende egenskab, kendt som dens fase, som i det væsentlige er, hvordan ‘langt langs’ en lysbølge er i forhold til et specifikt referencested.
“Fasemanipulation har også brede konsekvenser, da den bestemmer hastigheden af pulser, der bærer information på tværs af forskellige systemer,” sagde Hu. “Det primære mål med denne nye undersøgelse var at tackle følgende spørgsmål: Ville naturen give os mulighed for ikke-genindført at manipulere lysfasen, mens vi opretholder tovejs sammenlignelig transmissionsamplitude.
“Der er et grundlæggende princip kendt som Kramers-Kronig-forhold, der ser ud til at forbyde det, men overraskende viser vores eksperiment, at naturen er ekstraordinær generøs over for os her.”
Et centralt mål med forsøg, der sigter mod at bremse lysets hastighed er at ændre hastigheden af lysimpulser markant uden at gå på kompromis med deres transmissionseffektivitet. Dette opnås typisk via interferenseffekter i hybridiserede resonanssystemer, kendt som en klassisk analog af EIT -effekter i kvanteordninger.
“I vores arbejde konstruerer vi et sådant hybridiseret system ved hjælp af fotontilstand for en dielektrisk resonator og Magnon -tilstand for en magnetisk yttrium jern granat (YIG) sfære,” forklarede Jiguang Yao, senior ph.d. studerende og første forfatter af papiret.
“Ud over konventionelle resonatorer har de magnetiske materialer iboende chiralitet – dets spin -forudser i en fast retning bestemt af det påførte magnetiske felt. Denne chiralitet kan udnyttes til at inducere ikke -genindførelse, hvilket er muliggjort af et yderligere dissipativt kobling, der blev indført via en fælles mikrostrip. Som et resultat opnåede vi en ikke -reciprocal og kontrollerbart lysproblem.”
For at demonstrere potentialet i deres foreslåede tilgang sendte forskerne en mikrobølgepuls ind i det koblede hulrum Magnonics -system, de udviklede fra to retninger. Da de sammenlignede hastigheden af denne puls med en referencesti, fandt de, at deres metode muliggjorde en markant forsinkelse og forskudseffekter- ikke-reciprokalt.
“Lys- og mikrobølgepulser tjener som bærere af information inden for forskellige felter, lige fra signalkommunikation til neuromorf computing og kvantesignalbehandling,” sagde Jerry Lu, junior ph.d. studerende og medforfatter til papiret.
“Tidligere bestræbelser på ikke -re -reciprocal kontrol af elektromagnetiske bølger har primært fokuseret på retningsbestemt amplitude manipulation – hvilket giver transmission i kun en retning. Dette koncept understøtter væsentlige komponenter i kommunikationssystemer, såsom isolatorer og cirkulatorer. Vores undersøgelse afslørede for første tid, at lyset er tilladt at propagere i begge retninger, men i forskellige hastigheder.”
Holdets lovende nye metode til den ikke-genindførte kontrol af lyshastigheden kunne snart muliggøre udvikling af forskellige banebrydende og tidligere ufattelige teknologier. I mellemtiden arbejder Hu og hans forskningsgruppe for at forbedre deres metodologi yderligere med håb om at forbedre forsinkelsen og avancerede effekter, den producerer.
“Selvom effekten, der er demonstreret i vores arbejde, er spændende, forbliver den hidtil opnåede tidsforsinkelse/forskud relativt beskeden,” tilføjede Hu.
“At forbedre denne effekt er vigtig for at muliggøre praktiske applikationer. Som et første skridt planlægger vi at introducere et par nye teknikker til vores enhed for at forbedre effekten. På længere sigt har vi til hensigt at udforske et bredere vifte af applikationsscenarier.”