Dördüncü Boyutun Kilidini Açmak: Sentetik Boyutlar Fiziği Nasıl Yeniden Tanımlıyor
Sentetik boyutlardaki araştırmalar, yapay sinir ağları ve dalga kılavuzu dizileri gibi yenilikleri kullanarak fotonik sistemlerde ışığın gelişmiş kontrolünü ve manipülasyonunu sağlayarak, yeni fiziği keşfetmek ve cihaz uygulamalarını optimize etmek suretiyle topolojik fotonik alanında devrim yaratıyor.
Araştırmacılar, fotonik sistemlerdeki ışığın yönetimini geliştirerek sentetik modal boyutlar sunan ayarlanabilir dalga kılavuzu dizileri geliştirdiler. Bu yeniliğin mod lazerlemeden kuantum optiğine ve veri iletimine kadar uzanan potansiyel uygulamaları vardır.
Fizik alanında, sentetik boyutlar (SD’ler) geleneksel 3B geometrimizin ötesinde daha yüksek boyutlu uzaylardaki fenomenleri araştırmak için bir araç sağlayarak, çığır açan bir araştırma sınırı olarak ortaya çıkmıştır. Bu kavram, geleneksel boyutlar içinde erişilemeyen karmaşık fiziği ortaya çıkarma potansiyeli nedeniyle, özellikle topolojik fotonikte önemli ilgi görmüştür.
Araştırmacılar, sentetik gösterge alanları, kuantum Hall fiziği, ayrık solitonlar ve dört veya daha yüksek boyuttaki topolojik faz geçişleri gibi olguları kullanmayı amaçlayan SD’leri incelemek ve uygulamak için çeşitli teorik çerçeveler önerdiler. Bu öneriler fizikte yeni temel anlayışlara yol açabilir.
Geleneksel 3B uzaydaki temel zorluklardan biri, belirli bağlantılara sahip karmaşık kafes yapılarının deneysel gerçekleştirilmesidir. SD’ler, anizotropik, uzun menzilli veya dağıtıcı bağlantılara sahip karmaşık rezonatör ağları oluşturmak için daha erişilebilir bir platform sağlayarak bir çözüm sunar.
Bu yetenek, Hermitian olmayan topolojik sargı, parite-zaman simetrisi ve diğer fenomenlerin çığır açan gösterilerine yol açmıştır. Frekans modları, uzaysal modlar ve yörüngesel açısal momentumlar gibi bir sistem içindeki çeşitli parametreler veya serbestlik dereceleri, optik iletişimden topolojik yalıtkan lazerlere kadar çeşitli alanlarda uygulamalar için umut vadeden SD’leri oluşturmak için kullanılabilir.
Bu alandaki temel hedef, herhangi bir mod çiftinin kontrollü bir şekilde birleştirilebileceği “ütopik” bir rezonatör ağının inşasıdır. Bu hedefe ulaşmak, fotonik sistemler içinde hassas mod manipülasyonunu gerektirir ve veri iletimini, enerji toplama verimliliğini ve lazer dizisi parlaklığını artırma yolları sunar.
Dalga Kılavuzu Tasarımı İçin Yapay Sinir Ağlarının Kullanılması
Şimdi, Advanced Photonics’te bildirildiği üzere , uluslararası bir araştırmacı ekibi sentetik modal boyutlar oluşturmak için özelleştirilebilir dalga kılavuzu dizileri oluşturdu. Bu ilerleme, doğrusal olmama veya Hermitik olmama gibi karmaşık ekstra özelliklere ihtiyaç duymadan, fotonik bir sistemde ışığın etkili bir şekilde kontrol edilmesini sağlar. Nankai Üniversitesi’nden Profesör Zhigang Chen, “Sistem içinde farklı ışık modlarını ayarlama yeteneği, bir deneyin tüm parametrelerinin mükemmel şekilde kontrol edilebildiği ‘ütopik’ ağlara ulaşmamıza bir adım daha yaklaştırıyor.” diyor.
Araştırmacılar çalışmalarında, farklı ışık modları arasındaki farklara uyan yayılımlar için bozulmaları (“kıvrılma frekansları”) modüle ediyorlar. Bunu yapmak için, gerçek uzayda dalga kılavuzu dizileri tasarlamak üzere yapay sinir ağları (YSA) kullanıyorlar. YSA’lar, tam olarak istenen mod desenlerine sahip dalga kılavuzu düzenekleri oluşturmak üzere eğitiliyor. Bu testler, ışığın nasıl yayıldığını ve diziler içinde nasıl sınırlandırıldığını ortaya çıkarmaya yardımcı oluyor. Son olarak, araştırmacılar, Su-Schrieffer-Heeger (SSH) kafesi adı verilen özel bir fotonik kafes yapısı tasarlamak için YSA’ların kullanımını gösteriyorlar. Bu kafes, sistem boyunca ışığın topolojik kontrolünü sağlayan belirli bir özelliğe sahip. Bu, ışığın hareket ettiği toplu modu değiştirmelerine ve sentetik boyutlarının benzersiz özelliklerini sergilemelerine olanak tanıyor.
Bu çalışmanın çıkarımı önemlidir. Araştırmacılar, dalga kılavuzu mesafelerini ve frekanslarını ince ayarlayarak entegre fotonik cihazların tasarımını ve üretimini optimize etmeyi amaçlıyor. Zagreb Üniversitesi’nden Profesör Hrvoje Buljan, “Fotoniğin ötesinde, bu çalışma geometrik olarak erişilemez fiziğe bir bakış sunuyor. Mod lazerlemeden kuantum optiğine ve veri iletimine kadar uzanan uygulamalar için umut vadediyor.” diyor. Hem Chen hem de Buljan, ANN’ler tarafından güçlendirilen topolojik fotonik ve sentetik boyut fotonik etkileşiminin, benzeri görülmemiş malzeme ve cihaz uygulamalarına yol açabilecek keşifler için yeni olasılıklar açtığını belirtiyor.
