8 دقیقه
محققان با استفاده از یک متاسرفیس غیرخطی بهصورت تجربی نشان دادند که میتوان اسکیریمونهایی را در پالسهای تراهرتز توئروئیدی آزاد در فضا تولید کرد که قابلیت سوئیچ شدن بین حالتهای الکتریکی و مغناطیسی را دارند.
تصویر بالا کل موضوع را در یک خط روایت میکند: یک سطح با الگوی ویژه میتواند نور لیزر را به شکلی بهصورت دوناتمانند (توئروئید) هدایت کند و سپس آن شکل را از فرم الکتریکی به فرم مغناطیسی تغییر دهد. این صرفاً هندسه تزئینی نیست؛ این یک روش جدید برای رمزگذاری و حفاظت از سیگنالها در باند فرکانسی تراهرتز است — محدوده فرکانسی که مهندسین آن را برای لینکهای بیسیم با ظرفیت بالا و سیستمهای حسگری مورد توجه قرار دادهاند. چرا شکل یک پالس نوری اهمیت دارد؟ زیرا یک الگوی مقاوم و محافظتشده توپولوژیک در برابر بسیاری از انواع اختلال مقاومت نشان میدهد. به عبارت دیگر، اطلاعات را به شکلی حمل میکند که سختتر بتوان آن را مختل یا خراب کرد؛ این ویژگی برای ارتباطات مقاوم در محیطهای نویزی بسیار ارزشمند است.
چگونه اسکیریمونهای قابل سوئیچ ساخته شدند
تیم تحقیقاتی از دانشگاه تیانجین و همکارانشان یک متاسرفیس غیرخطی ساختند: یک آرایهٔ بسیار نازک از نانوساختارهای فلزی که الگو و شکل آن نحوهٔ رفتار نور ورودی را تغییر میدهد. با تاباندن پالسهای فمتوثانیهای نزدیک به مادونقرمز که شکلدهی مشخصی داشتند، متاسرفیس آنها را به پالسهای تراهرتز توئروئیدی تبدیل میکرد. با تغییر قطبش (پولاریزاسیون) ورودی، دستگاه اسکیریمون متفاوتی تولید میکرد — یکی الگویی را نشان میداد که تحت تسلط ساختار میدان الکتریکی بود و دیگری الگویی که گردش میدان مغناطیسی در آن غالب بود.
پالس کوتاه. الگوپردازی دقیق. کنترل قطبش. میتوان آن را مانند استفاده از کلیدهای متفاوت برای باز کردن قفلهای متفاوت روی یک در واحد در نظر گرفت. پژوهشگران از اجزای اپتیکی مانند صفحات موج و تأخیردهندههای ورتکس برای شکلدهی قطبش پرتو پمپ مادونقرمز استفاده کردند و واکنش غیرخطی متاسرفیس کار اصلی را انجام داد تا ورتکسهای تراهرتز متمایز تولید شوند. این ساختارهای توئروئیدی — مجموعههای حلقهای از میدان الکترومغناطیسی که بر خودشان حلقه میزنند — ثبات توپولوژیکی دارند که پالسهای معمولی آن را ندارند؛ بهنوعی خودمحافظتکنندهاند و در برابر اعوجاجات موضعی مقاوم باقی میمانند.
برای تأیید این رفتار به یک راهبرد اندازهگیری دقیق نیاز بود. تیم، پالس تراهرتز را در موقعیتها و زمانهای متعدد با یک سامانهٔ آشکارسازی فوقسریع ثبت کرد و میدان الکترومغناطیسی در حال تکامل را بازسازی کرد؛ بهجای تکیه کردن بر یک تصویر لحظهای واحد. این نقشهبرداری زمانی-مکانی نشانههای مشخص هر دو نوع اسکیریمون الکتریکی و مغناطیسی را آشکار کرد. معیارهای سنجش صداقت حالت (fidelity metrics) نشان داد که دستگاه میتواند با قابلیت اطمینان بین حالتها سوئیچ کند در حالی که خلوص هر حالت را در سطح کافی برای آزمایشهای رمزگذاری اطلاعات نگه میدارد.
چرا این موضوع برای بیسیم تراهرتز و رمزگذاری اطلاعات اهمیت دارد
فرکانسهای تراهرتز بین بیسیمهای سنتی مایکروویو و اپتیک مادونقرمز قرار میگیرند. این باند وعدهٔ پهنای باند بالا را میدهد اما مشکلات مهندسی خاص خود را نیز دارد: جذب جوّی، پراکندگی و شکنندگی دستگاهها از جمله آنهاست. رمزگذاری دادهها در درجهٔ آزادی فضایی یا توپولوژیکی مقاوم — مانند ورتکس توئروئیدی یا اسکیریمون — افزونگیِ متفاوتی فراهم میآورد که مدولاسیونهای معمولی دامنه یا فرکانس ارائه نمیدهند. این مقاومت میتواند به لینکهایی منجر شود که در برابر تلاطم جوی، کجتنظیمی و برخی انواع تداخل تابشی تاب میآورند بدون اینکه اطلاعات رمزگذاریشده را از دست بدهند.
رویکرد مبتنی بر متاسرفیس قابل سوئیچ همزمان دو نیاز عملی را پیش میبرد. نخست، کنترل لحظهای: یک پلتفرم فشرده که مطابق با آمادهسازی ورودی، حالتهای متفاوت و مشخص تراهرتز تولید میکند. دوم، مسیر بهسمت مالتیپلکسینگ اطلاعات با استفاده از حالات توپولوژیکی متمایز را میگشاید. تصور کنید کانالهایی که در آن هر حالت منطقی الگویی متفاوت از اسکیریمون است؛ گیرنده نه تنها انرژی را شناسایی میکند بلکه توپولوژی میدان را نیز تشخیص میدهد. این میتواند کارایی طیفی (spectral efficiency) را بالا ببرد و در شبکههای متراکم، تداخل متقاطع (cross-talk) را کاهش دهد.
البته چالشهایی وجود دارد. بازده تبدیل باید بهبود یابد؛ تبدیل کنونی از نزدیک به مادونقرمز به تراهرتز نسبت به نشرکنندههای متداول دارای تلفات بیشتری است. ثبات بلندمدت، تکرارپذیری در تولید انبوه متاسرفیسها و مقاومت در برابر عوامل محیطی نیز باید پیش از بهرهبرداری گسترده در تجهیزات مخابراتی حل شوند. با این وجود، این مفهوم مقیاسپذیر است: با افزودن الگوهای ورودی قابل کنترل بیشتر و پالایش طراحی متاسرفیس، پژوهشگران میتوانند از یک سوئیچ دودویی فراتر روند و مجموعهای غنیتر از حالات توپولوژیکی متعامد برای رمزگذاری بیتهای بیشتر در هر پالس ایجاد کنند؛ هر حالت میتواند یک نماد در یک پایگاه مدولاسیون توپولوژیک باشد و بدینترتیب نرخ اطلاعات مؤثر را افزایش دهد.
فناوریهای مرتبط و چشمانداز آینده
این تلاش در تقاطع اپتیک فوقسریع، نانوساخت و مهندسی تراهرتز قرار دارد. این روش مکمل استراتژیهای دیگر برای لینکهای مقاوم است، مانند مالتیپلکسینگ بر مبنای تکانهٔ زاویهای مداری (OAM) و الگوریتمهای پیشرفتهٔ تصحیح خطا، اما تفاوت کلیدی این است که متاسرفیسها پایداری فیزیکی ذاتی از طریق توپولوژی را ارائه میدهند، نه اینکه تنها به نرمافزار متکی باشند. دستگاههای کاربردی احتمالاً این لایهها را ترکیب خواهند کرد: تولید حالات با کمک متاسرفیس، اپتیک تطبیقی برای اصلاح اثرات جوّی، و پردازش دیجیتال برای رمزگشایی و کاهش خطاها.
فراتر از مخابرات، اسکیریمونهای تراهرتز قابل سوئیچ میتوانند در حسگری و پردازش اطلاعات کاربردهایی بیابند که در آن توپولوژی میدان تعامل متفاوتی با مواد دارد. مودهای توئروئیدی نسبت به موجهای صفحهای ساده، جفتشدگی متفاوتی با ماده دارند؛ این خصوصیت میتواند در طیفسنجی، آزمونهای غیرمخرب، یا حتی مدارهای فوتونیکی فشرده که سیگنالها را بر اساس توپولوژی هدایت میکنند بهکار گرفته شود. برای مثال، در طیفسنجی تراهرتز، مود توئروئیدی ممکن است با ارتعاشات یا چرخشهای مولکولی به صورت متمایزی تعامل کند و حساسیت یا انتخابپذیری را افزایش دهد.
دیدگاه کارشناسان
«آنچه مرا هیجانزده میکند، پیوند پایداری توپولوژیک با کنترل فعال است»، میگوید دکتر مایا چن، یک مهندس فوتونیک که در این مطالعه مشارکت نداشته است. «مودهای توپولوژیک یک طبقه از خطاها را در لایهٔ فیزیکی کاهش میدهند و سوئیچ فعال به این معنی است که میتوان منطق و عملکردهای مسیردهی را مستقیماً در منبع نور ساخت. این گامی بهسوی مدارهای مبتنی بر نور است که عملکردی شبیه شبکههای الکترونیکی دارند اما با مزایای پهنای باند اپتیک.»
سایر کارشناسان به موانع واقعبینانه اشاره میکنند: یکنواختی ساخت، جفتشدن با گیرندهها و کارایی توان. با این وجود، این نمایش تجربی استدلال قانعکنندهای ارائه میدهد که اسکیریمونهای توئروئیدی تراهرتز بیش از کنجکاویهای نظری هستند — آنها نامزدهای عملی برای نسل بعدی لینکهای بیسیم با ظرفیت بالا و مقاوم در برابر تداخلاند.
محققان اکنون بر بهبود کارایی تبدیل، گسترش مجموعهٔ مودهای قابل کنترل و یکپارچهسازی مفهوم متاسرفیس با سختافزار آشکارسازی و مسیریابی تراهرتز فشرده تمرکز کردهاند. اگر این تلاشها موفق شوند، نتیجه میتواند نهفقط لینکهای سریعتر بلکه لینکهای هوشمندتر باشد: کانالهایی که نه تنها بر اساس اعداد بلکه بر اساس شکلها «فکر» میکنند؛ یعنی اطلاعات را توسط توپولوژی میدان کدگذاری و منتقل میکنند که این رویکرد میتواند در محیطهای چالشبرانگیز شبکهای مزایای عملی زیادی به همراه آورد.
منبع: scitechdaily
نظرات
آسمانچرخ
من تو آزمایشگاه هم مود توئروئیدی دیدم، با ماده فرق میکرد—جفتشدن خاصی داشت. اگه گیرنده بتونه بخونه، خیلی کاربردی میشه 🙂
آرمان
زیباست ولی یه کم اغراق داره، اول مشکلات پایه مثل کارایی توان و تولید انبوه رو حل کنن بعد وعدهسازی. هنوز چالشاس
لابکور
مطرحشدن توپولوژی بهعنوان لایهٔ رمزگذاری منطقیه. اما تا وقتی بازده تبدیل و تکرارپذیری حل نشه، کاربردیش محدود خواهد موند.
کوینت
این تا چه حد تو شرایط واقعی مقاومه؟ یعنی تو هوای بد یا با تداخل واقعی، گیرنده واقعا میتونه توپولوژی رو تشخیص بده یا فقط تو آزمایش جواب داده؟
دیتاپلز
وای، این پیوند توپولوژی با سوئیچ فعال واقعا ذهنو قلقلک میده! اگر بازده بهتر شه، ممکنه کلی تحول ایجاد کنه… ولی هنوز راه داره
ارسال نظر