Wissenschaftler erstellen synthetische Dimensionen, um die Grundgesetze des Universums besser zu verstehen

Menschen erleben die Welt in drei Dimensionen, aber eine Zusammenarbeit in Japan hat einen Weg entwickelt, synthetische Dimensionen zu schaffen, um die grundlegenden Gesetze des Universums besser zu verstehen und sie möglicherweise auf fortschrittliche Technologien anzuwenden.

Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie heute (28. Januar 2022) in Wissenschaftliche Fortschritte.

„Das Konzept der Dimensionalität ist in den vergangenen Jahren zu einem zentralen Bestandteil in verschiedenen Bereichen der zeitgenössischen Physik und Technologie geworden“, sagte der Autor des Papers, Toshihiko Baba, Professor am Department of Electrical and Computer Engineering der Yokohama National University. „Während Untersuchungen zu niederdimensionalen Materialien und Strukturen fruchtbar waren, haben schnelle Fortschritte in der Topologie eine weitere Fülle potenziell nützlicher Phänomene aufgedeckt, die von der Dimensionalität des Systems abhängen und sogar über die drei räumlichen Dimensionen hinausgehen, die in der Welt um uns herum verfügbar sind.“

Topologie bezieht sich auf eine Erweiterung der Geometrie, die Räume mathematisch beschreibt, deren Eigenschaften in kontinuierlicher Verzerrung erhalten bleiben, wie z. B. die Drehung eines Möbiusbandes. In Kombination mit Licht können diese physischen Räume laut Baba so gelenkt werden, dass Forscher hochkomplizierte Phänomene hervorrufen können.

In der realen Welt, von einer Linie über ein Quadrat bis hin zu einem Würfel, bietet jede Dimension mehr Informationen und erfordert auch mehr Wissen, um sie genau zu beschreiben. In der topologischen Photonik können Forscher zusätzliche Dimensionen eines Systems schaffen, die mehr Freiheitsgrade und vielfältige Manipulationen von Eigenschaften ermöglichen, die zuvor nicht zugänglich waren.

„Synthetische Dimensionen haben es ermöglicht, höherdimensionale Konzepte in niederdimensionalen Geräten mit reduzierter Komplexität zu nutzen und kritische Gerätefunktionen wie die optische Isolierung auf dem Chip voranzutreiben“, sagte Baba.

Ein unter Verwendung von Siliziumphotonik hergestellter und intern modulierter Ringresonator erzeugt eine Frequenzleiter. Bildnachweis: Yokohama National University

Die Forscher stellten eine synthetische Dimension auf einem Silizium-Ringresonator her, indem sie denselben Ansatz verwendeten, der zum Bau von komplementären Metalloxid-Halbleitern (CMOS), einem Computerchip, der etwas Speicher speichern kann, verwendet wurde. Ein Ringresonator wendet Führungen an, um Lichtwellen gemäß bestimmten Parametern, wie z. B. bestimmten Bandbreiten, zu steuern und aufzuteilen.

Laut Baba hat das photonische Silizium-Ringresonatorgerät ein „kammartiges“ optisches Spektrum erhalten, was zu gekoppelten Moden führte, die einem eindimensionalen Modell entsprachen. Mit anderen Worten, das Gerät erzeugte eine messbare Eigenschaft – eine synthetische Dimension – die es den Forschern ermöglichte, Informationen über den Rest des Systems abzuleiten.

Während das entwickelte Gerät einen Ring umfasst, könnten mehrere gestapelt werden, um Effekte zu kaskadieren und optische Frequenzsignale schnell zu charakterisieren.

Entscheidend sei, so Baba, dass ihre Plattform selbst mit gestapelten Ringen viel kleiner und kompakter sei als frühere Ansätze, bei denen optische Fasern verwendet wurden, die mit verschiedenen Komponenten verbunden waren.

„Eine skalierbarere Silizium-Photonik-Chip-Plattform bietet einen erheblichen Fortschritt, da sie es der Photonik mit synthetischen Dimensionen ermöglicht, von der ausgereiften und ausgeklügelten kommerziellen CMOS-Fertigungs-Toolbox zu profitieren, und gleichzeitig die Mittel für die Einführung mehrdimensionaler topologischer Phänomene in neuartige Geräteanwendungen schafft ., sagte Baba.

Die Flexibilität des Systems, einschließlich der Fähigkeit, es bei Bedarf neu zu konfigurieren, ergänzt laut Baba äquivalente statische Räume im realen Raum, was Forschern helfen könnte, die dimensionalen Beschränkungen des realen Raums zu umgehen, um Phänomene sogar über drei Dimensionen hinaus zu verstehen.

„Diese Arbeit zeigt die Möglichkeit, dass Photonik in topologischen und synthetischen Dimensionen praktisch mit einer Silizium-Photonik-Integrationsplattform verwendet werden kann“, sagte Baba. „Als nächstes planen wir, alle photonischen Elemente der topologischen und synthetischen Dimension zu sammeln, um einen topologischen integrierten Schaltkreis aufzubauen.“

Referenz: „Synthetische Dimensionsbandstrukturen auf einer photonischen Si-CMOS-Plattform“ 28. Januar 2022, Wissenschaftliche Fortschritte.
DOI: 10.1126/sciadv.abk0468

Weitere Mitwirkende sind Armandas Balčytis und Jun Maeda, Department of Electrical and Computer Engineering, Yokohama National University; Tomoki Ozawa, Advanced Institute for Materials Research, Universität Tohoku; und Yasutomo Ota und Satoshi Iwamoto, Institute for Nano Quantum Information Electronics, The University of Tokyo. Ota ist auch mit der Abteilung für angewandte Physik und Physikoinformatik der Keio-Universität verbunden. Iwamoto ist außerdem mit dem Research Center for Advanced Science and Technology und dem Institute of Industrial Science der Universität Tokio verbunden.

Die Japan Science and Technology Agency (JPMJCR19T1, JPMJPR19L2), die Japan Society for the Promotion of Science (JP20H01845) und RIKEN unterstützten diese Forschung.