Лан Ян, доктор философии, доцент кафедры электротехники и системотехники, и ее сотрудники разработали важный компонент этих новых компьютеров, которые будут работать на свету. Их работа позволяет применять предсказания недавно сформулированной теоретической физики в реальных приложениях.Результаты их исследований появятся 6 апреля в журнале Nature Physics.
Группа Янга создала оптический диод, соединив крошечные оптические резонаторы в форме пончика — один с усилением, а другой с потерями — на кремниевом кристалле. «Этот диод способен полностью исключить пропускание света в одном направлении и значительно улучшить пропускание света при невзаимном пропускании света», — говорит Бо Пэн, аспирант в группе Яна и ведущий автор статьи.Электрический диод предотвращает обратный ток электричества по проводу, обеспечивая защиту важных частей электронной схемы или процессора; оптический диод делает то же самое со светом.«Мы считаем, что наше открытие принесет пользу во многих других областях, включая электронику, акустику, плазмонику и метаматериалы», — говорит Янг. «Соединение так называемых устройств потерь и усиления с использованием PT (четности и времени) -симметрии могло бы позволить такие достижения, как маскирующие устройства, более сильные лазеры, требующие меньшей входной мощности, и, возможно, детекторы, которые могут« видеть »отдельный атом».
Принцип PT-симметрии основан на математических теориях, выдвинутых доктором философии Карлом М. Бендером, заслуженным профессором физики в искусстве Уилфреда Р. и Энн Ли Коннекер. Наук в Вашингтонском университете.
Проще говоря, когда система "с потерями" соединяется с системой "усиления", так что потеря энергии в точности равна усилению в точке равновесия, происходит "фазовый переход".Применение принципов PT-симметрии приводит оптику к совершенно иному набору поведения, не предсказываемому традиционной физикой, только с потерями или только с усилением. Янг говорит, что явления, происходящие при «фазовом переходе», драматичны и до сих пор неожиданны.
Чтобы сделать свой оптический диод, Сахин Кая Оздемир, доктор философии, научный сотрудник группы Яна и один из основных авторов статьи, и Пэн использовали два микрорезонатора, расположенных так, чтобы свет мог перетекать от одного к другому. Одним из устройств является кварцевый резонатор с потерями.
Другой включает химический элемент эрбий в структуру кремнезема для усиления. Оздемир говорит, что когда эрбий взаимодействует со светом с длиной волны 1450 нм, он испускает фотоны с длиной волны 1550 нм. Детектор пропускания, установленный на 1550 нм, увидит усиление от этого эрбийсодержащего резонатора.
Когда коэффициент усиления в одном резонаторе точно равен коэффициенту потерь в другом, фазовый переход происходит на критическом расстоянии связи между резонаторами.Наиболее важно то, что PT-симметрия нарушена, и система демонстрирует сильное нелинейное поведение даже при очень слабой входной мощности — интенсивность входящего света усиливается с очень крутым нелинейным наклоном. «В результате симметрия обращения времени нарушается, и свет может двигаться только в одном направлении — вперед», — говорит Ян.
«Симметрия обращения времени — это фундаментальное физическое правило, которое гласит, что если свет может двигаться в одном направлении, он должен иметь возможность перемещаться и в противоположном направлении. С новым оптическим диодом это уже не так», — говорит Оздемир. «Инженеры традиционно используют магнитооптику и сильные магнитные поля, чтобы нарушить симметрию обращения времени, здесь мы делаем это, используя сильную нелинейность, обеспечиваемую нарушенной PT-симметрией. При входной мощности всего 1 микроватт мы демонстрируем 17-кратное увеличение светопропускания в одном направлении. . Нет передачи в другом направлении. Такое исполнение было бы невозможно без использования резонансных структур и PT-симметричных концепций ».«Наши резонаторы достаточно малы, чтобы их можно было использовать в компьютерах и будущих процессорах оптической информации.
В настоящее время мы строим наши оптические диоды из диоксида кремния, который имеет очень небольшие материальные потери на длине волны связи. Эту концепцию можно распространить на резонаторы, изготовленные из других материалов. обеспечить легкую совместимость с CMOS ". — говорит Пэн.«В более широком смысле, наша статья показывает, как концепция, уходящая корнями в математическую физику, может быть использована для решения практических задач, открывая новые возможности для контроля и управления светом на кристалле», — говорит команда. «Одного нарушения PT-симметрии недостаточно, чтобы получить невзаимный ответ; также необходима работа в нелинейном режиме. В линейном режиме светопропускание всегда взаимно, независимо от того, нарушена PT-симметрия или нет», — предупреждает команда.
Янг и Оздемир считают, что концепция PT может быть распространена на электронику, акустику и другие области для создания односторонних каналов и фотонных устройств с расширенными функциями, и они уже работают над новыми экспериментами, основанными на PT-симметрии.