Proveržis fizikoje: išspręsta 100 metų senumo problema

Apėję fundamentalų dėsnį, jie sukūrė rezonansines arba bangolaidines sistemas, galinčias savyje išsaugoti energiją palyginus ilgais laiko tarpais, tačiau tuo pačiu išlaikančias platų signalo spektrą.

Tai atlikti jiems pavyko sukūrus asimetrinio rezonanso ar bangolaidines sistemas, panaudojant magnetinius laukus.

Šis proveržis stipriai paveiks daugelį inžinerijos ir fizikos sričių. Potencialaus pritaikymo sritys kone begalinės, pavyzdžiui, telekomunikacijoje, optinių jutiklių sistemose ir plataus dažnių ruožo energijos pagavoje, kas tėra vos tik keletas pavyzdžių.

Abipusiškumo pašalinimas

Rezonatoriai ir bangolaidžiai naudojami daugybėje optinių ir elektroninių sistemų. Jie laikinai saugo energiją elektromagnetinių bangų pavidalu ir paskui ją grąžina. 

Ilgiau nei 100 metų šias sistemas ribojo, kaip manyta, fundamentalus dėsnis: bangos laikymo trukmė atvirkščiai proporcinga jos spektro pločiui (arba informacijos kiekiui bangoje). Šis tarpusavio santykis reiškė, kad neįmanoma rezonatoriuje ar bangolaidyje ilgai išsaugoti didelių duomenų kiekių, nes spektro pločio padidinimas reiškė trumpesnį informacijos saugojimo laiką ir kokybę.

Šį dėsnį 1914 metais pirmasis suformulavo K.S.Johnsonas iš „Western Electric Company“ („Bell Telephone Laboratories“ pirmtakė). Jis pateikė Q faktoriaus koncepciją, pagal kurią rezonatorius gali arba ilgai saugoti energiją, arba turėti plačią pralaidą, bet ne abi savybes tuo pat metu. Saugojimo laiko ilginimas reiškė spektro pločio mažėjimą ir atvirkščiai. Mažas spektro plotis reiškė ribotą dažnių (arba „spalvų“) spektrą, o tai savo ruožtu riboja duomenų kiekį.

Lig šiol koncepcija būdavo priimama kaip duotybė. Fizikai ir inžinieriai visada kurdavo rezonatorius – naudojamus lazerių gamyboje, elektronikos grandinėse ir atliekant medicinines diagnozes – turėdami omenyje šį apribojimą.

Bet dabar šis apribojimas liko praeityje. Tyrėjai sukūrė hibridinę rezonatoriaus / bangolaidžio sistemą iš magnetooptinės medžiagos, kuri, paveikus magnetiniu lauku, gali sustabdyti bangą ir ją „pagauti“ ilgesniam laiko tarpui, taip sukaupdama didelį energijos kiekį. Magnetinį lauką išjungus, „pagautas“ elektromagnetinis impulsas išsilaisvina.

Tokia asimetrine ir neabipusiška sistema įmanoma bangą laikyti „pagautą“ labai ilgai ir tuo pačiu turėti didelį informacijos spektro plotį. Įprastinė laiko-pralaidumo riba buvo viršyta tūkstantį kartų. Mokslininkai netgi parodė, kad teoriškai šios ribos lubos asimetrinėms (nereciprokinėms) sistemoms neegzistuoja.

„Tai buvo nušvitimas, kai supratome, kad šioms naujoms struktūroms jokios laiko-spektro pločio ribos neegzistuoja. Šios sistemos nepanašios į nieką, prie ko buvome pratę dešimtis ir gal net šimtus metų“, – pažymi tyrimui vadovavęs Kosmas Tsakmakidis. 

„Pranašesnės bangos-„pagavimo“ („saugojimo“) galimybės išties gali būti panaudojamos įvairiausiose šiuolaikinėse ir labiau tradicinėse tyrimų srityse“, – pridėjo laboratorijos, kurioje tyrimas buvo atliktas, vadovė Hatice Altug.

Medicina, aplinka ir telekomunikacijos

Šias struktūras galima panaudoti kuriant itin sparčias ir efektyvias optines telekomunikacijų tinklų saugyklas. Jose laikinai saugomi šviesolaidžiu atėję duomenys. Sulėtinus duomenų srautą, jį lengviau apdoroti. Lig šiol tokios talpyklos buvo ribotos.

Naudojant naująją techniką, turėtų pavykti patobulinti šį procesą ir saugoti daug duomenų ir ilgiau. Kitas potencialus panaudojimas – lustinė spektroskopija, šviesos kaupimas iš aplinkos ir energijos saugojimas, bei optinis kamufliažas („nematomumo apsiaustas“). 

„Tai visiškai fundamentalus proveržis – suteikiame tyrėjams naują įrankį. O jo pritaikymą riboja tik fantazija“, – apibendrina K.Tsakmakidis.

Pagal Phys.org inf. parengė Vytautas Povilaitis, redagavo FTMC vyriausiasis mokslo darbuotojas Sergejus Orlovas.