يصنع العلماء أبعادًا مصطنعة من أجل فهم أفضل للقوانين الأساسية للكون

يختبر البشر العالم من خلال ثلاثة أبعاد ، لكن اليابان طورت طريقة لفهم القواعد الأساسية للكون المركب بشكل أفضل وتطبيق التقنيات الاصطناعية لإنشاء أبعاد صناعية.

أصدروا نتائجهم اليوم (28 يناير 2022) التقدم العلمي.

قال توشيهيكو بابا ، أستاذ الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر في جامعة يوكوهاما الوطنية: “أصبح مفهوم البعد جزءًا لا يتجزأ من مختلف مجالات الفيزياء والتكنولوجيا المعاصرة على مر السنين”. “في حين أن التحقيقات في الأجسام والهياكل منخفضة الأبعاد مثمرة ، فقد كشفت التطورات السريعة في الجغرافيا العديد من الظواهر المفيدة ، حتى خارج الأبعاد المكانية الثلاثة للعالم من حولنا ، اعتمادًا على بُعد النظام.”

تشير التضاريس إلى امتداد الهندسة ، والتي تصف رياضياً المساحات ذات الخصائص المحفوظة في الانحلال المستمر ، مثل التواء شريط موبيوس. يقول بابا إنه إلى جانب الضوء ، يمكن معالجة هذه الفجوات الفيزيائية للسماح للباحثين بإثارة ظواهر أكثر تعقيدًا.

في العالم الواقعي ، تتعرض الأفيال المتثاقلة لعدوان الأقزام المتسارعة. في الضوئيات المكانية ، يمكن للباحثين إنشاء أبعاد إضافية لنظام تسمح بمستويات أكبر من الحرية ومعالجات متعددة لخصائص كان يتعذر الوصول إليها سابقًا.

قال بابا “الأبعاد الاصطناعية جعلت من الممكن استخدام مفاهيم عالية الأبعاد على الأجهزة منخفضة الأبعاد وتمكين وظائف الجهاز الهامة مثل العزل البصري على الرقاقة على الأجهزة المعقدة”.

يخلق الرنان الحلقي المصنوع باستخدام فوتونات السليكون والمعدّل داخليًا سلمًا للتردد. الائتمان: جامعة يوكوهاما الوطنية

ابتكر الباحثون بعدًا اصطناعيًا في مرنان حلقة السيليكون ، والذي تم استخدامه لإنشاء حشو من أكسيد المعادن وأشباه الموصلات (CMOS) باستخدام نفس النهج ، والذي يمكن أن يخزن بعض الذاكرة. يستخدم الرنان الحلقي أدلة للتحكم في موجات الضوء وفصلها وفقًا لمعلمات محددة ، مثل الترددات المحددة.

وفقًا لبابا ، تلقى الجهاز الفوتوني مرنان حلقة السيليكون طيفًا ضوئيًا “يشبه المشط” ، مما أدى إلى تكامل الأنماط المرتبطة بنموذج أحادي البعد. بعبارة أخرى ، أنشأ الجهاز خاصية قابلة للقياس – بُعدًا اصطناعيًا – سمحت للباحثين بتخمين المعلومات حول أجزاء أخرى من النظام.

على الرغم من أن الجهاز الذي تم إنشاؤه يتكون من حلقة ، إلا أنه يمكن تكديسه لتأثيرات طبقات متعددة وتصنيف إشارات التردد البصري بسرعة.

قال بابا إنه حتى مع الحلقات المكدسة ، فإن قاعدتها أصغر بكثير وأكثر إحكاما من الأساليب السابقة التي استخدمت الألياف الضوئية مجتمعة مع مكونات مختلفة.

“يوفر نظام تشغيل الرقاقة الضوئية السيليكونية عالية القابلية للتوسع تحسينات كبيرة لأنه يسمح للضوئيات ذات الأبعاد الاصطناعية بالاستفادة من مجموعة أدوات خيال الأعمال CMOS المتطورة والمتطورة.”

إن مرونة النظام ، بما في ذلك القدرة على إعادة البناء حسب الحاجة ، تكمل المساحات الثابتة على قدم المساواة في الفضاء الحقيقي ، والتي ، وفقًا لبابا ، تمكن الباحثين من تجنب قيود الأبعاد على الفضاء الحقيقي لفهم الظواهر التي تتجاوز الأبعاد الثلاثة.

قال بابا: “يُظهر هذا العمل إمكانية تطبيق فوتونات الأبعاد الطبوغرافية والاصطناعية في الممارسة العملية مع منصة تكامل السيليكون الضوئيات”. “بعد ذلك ، نخطط لجمع جميع العناصر الضوئية الطبوغرافية والاصطناعية ذات الأبعاد لإنشاء دائرة متكاملة جغرافيًا.”

ملحوظة: “هياكل أشرطة الأبعاد الاصطناعية على منصة Si CMOS الضوئية” 28 يناير 2022 ، التقدم العلمي.
DOI: 10.1126 / sciadv.abk0468

ومن بين المساهمين الآخرين أرمانداس بالسيديس وجون مادا ، قسم الهندسة الكهربائية وهندسة الحاسبات في جامعة يوكوهاما الوطنية. توموكي أوزاوا ، المعهد المتقدم لبحوث المواد ، جامعة توهوكو ؛ وياسوتومو أوتا وساتوشي إيواموتو ، معهد إلكترونيات معلومات الكم النانوية ، جامعة طوكيو. أوتا تابع لقسم الفيزياء التطبيقية ومعلومات الفيزياء في جامعة كيو. إيواموتو تابع لمركز أبحاث العلوم والتكنولوجيا المتقدمة ومعهد العلوم الصناعية بجامعة طوكيو.

تم دعم البحث من قبل المعهد الياباني للعلوم والتكنولوجيا (JPMJCR19T1 ، JPMJPR19L2) ، والجمعية اليابانية لتقدم العلوم (JP20H01845) و RIKEN.