Manusia mengalami dunia dalam tiga dimensi, tetapi kolaborasi di Jepang telah mengembangkan cara untuk menciptakan dimensi sintetis untuk lebih memahami hukum dasar alam semesta dan mungkin menerapkannya pada teknologi canggih.

Mereka mempublikasikan hasil mereka hari ini (28 Januari 2022) di Kemajuan Ilmu Pengetahuan.

“Konsep dimensionalitas telah menjadi perlengkapan utama dalam beragam bidang fisika dan teknologi kontemporer dalam beberapa tahun terakhir,” kata penulis makalah Toshihiko Baba, profesor di Departemen Teknik Elektro dan Komputer, Universitas Nasional Yokohama. “Sementara penyelidikan terhadap material dan struktur berdimensi lebih rendah telah membuahkan hasil, kemajuan pesat dalam topologi telah mengungkap lebih banyak fenomena yang berpotensi berguna tergantung pada dimensi sistem, bahkan melampaui tiga dimensi spasial yang tersedia di dunia di sekitar kita.”

Topologi mengacu pada perluasan geometri yang secara matematis menggambarkan ruang dengan properti yang dipertahankan dalam distorsi terus menerus, seperti putaran mobius strip. Ketika dikombinasikan dengan cahaya, menurut Baba, ruang-ruang fisik ini dapat diarahkan sedemikian rupa sehingga memungkinkan para peneliti untuk menginduksi fenomena yang sangat rumit.

Di dunia nyata, dari garis ke persegi ke kubus, setiap dimensi memberikan lebih banyak informasi, serta membutuhkan lebih banyak pengetahuan untuk menggambarkannya secara akurat. Dalam fotonik topologi, peneliti dapat membuat dimensi tambahan dari suatu sistem, memungkinkan lebih banyak derajat kebebasan dan manipulasi multifaset dari properti yang sebelumnya tidak dapat diakses.

“Dimensi sintetik telah memungkinkan untuk mengeksploitasi konsep dimensi lebih tinggi pada perangkat berdimensi lebih rendah dengan kompleksitas yang lebih rendah, serta mendorong fungsionalitas perangkat penting seperti isolasi optik on-chip,” kata Baba.

Resonator cincin yang dibuat menggunakan fotonik silikon dan dimodulasi secara internal menghasilkan tangga frekuensi. Kredit: Universitas Nasional Yokohama

Para peneliti membuat dimensi sintetis pada resonator cincin silikon, menggunakan pendekatan yang sama yang digunakan untuk membangun semikonduktor oksida logam komplementer (CMOS), sebuah chip komputer yang dapat menyimpan beberapa memori. Sebuah resonator cincin menerapkan panduan untuk mengontrol dan membagi gelombang cahaya sesuai dengan parameter tertentu, seperti bandwidth tertentu.

Menurut Baba, perangkat fotonik resonator cincin silikon memperoleh spektrum optik “seperti sisir”, menghasilkan mode gabungan yang sesuai dengan model satu dimensi. Dengan kata lain, perangkat menghasilkan properti terukur – dimensi sintetis – yang memungkinkan para peneliti untuk menyimpulkan informasi tentang sisa sistem.

Sementara perangkat yang dikembangkan terdiri dari satu cincin, lebih banyak dapat ditumpuk untuk efek kaskade dan dengan cepat mengkarakterisasi sinyal frekuensi optik.

Secara kritis, kata Baba, platform mereka, bahkan dengan cincin bertumpuk, jauh lebih kecil dan kompak daripada pendekatan sebelumnya, yang menggunakan serat optik yang terhubung ke berbagai komponen.

“Platform chip fotonik silikon yang lebih terukur memberikan kemajuan yang cukup besar, karena memungkinkan fotonik dengan dimensi sintetis untuk mendapatkan keuntungan dari kotak peralatan fabrikasi komersial CMOS yang matang dan canggih, sementara juga menciptakan sarana untuk fenomena topologi multi-dimensi untuk diperkenalkan ke dalam aplikasi perangkat baru. kata Baba.

Fleksibilitas sistem, termasuk kemampuan untuk mengkonfigurasi ulang seperlunya, melengkapi ruang statis yang setara di ruang nyata, yang dapat membantu peneliti melewati batasan dimensi ruang nyata untuk memahami fenomena bahkan di luar tiga dimensi, menurut Baba.

“Pekerjaan ini menunjukkan kemungkinan bahwa fotonik dimensi topologi dan sintetis dapat digunakan secara praktis dengan platform integrasi fotonik silikon,” kata Baba. “Selanjutnya, kami berencana untuk mengumpulkan semua elemen fotonik dimensi topologi dan sintetis untuk membangun sirkuit terintegrasi topologi.”

Referensi: “Struktur pita dimensi sintetis pada platform fotonik Si CMOS” 28 Januari 2022, Kemajuan Ilmu Pengetahuan.
DOI: 10.1126/sciadv.abk0468

Kontributor lainnya termasuk Armandas Balčytis dan Jun Maeda, Departemen Teknik Elektro dan Komputer, Universitas Nasional Yokohama; Tomoki Ozawa, Institut Lanjutan untuk Penelitian Material, Universitas Tohoku; dan Yasutomo Ota dan Satoshi Iwamoto, Institut Elektronika Informasi Nano Quantum, Universitas Tokyo. Ota juga berafiliasi dengan Departemen Fisika Terapan dan Fisika-Informatika, Universitas Keio. Iwamoto juga berafiliasi dengan Research Center for Advanced Science and Technology dan Institute of Industrial Science, The University of Tokyo.

Badan Sains dan Teknologi Jepang (JPMJCR19T1, JPMJPR19L2), Masyarakat Jepang untuk Promosi Ilmu Pengetahuan (JP20H01845) dan RIKEN mendukung penelitian ini.