Στον αγώνα για την επόμενη γενιά ασύρματων δικτύων, την εποχή που το 6G αρχίζει να διαφαίνεται στον ορίζοντα, η ταχύτητα δεν είναι πλέον το μοναδικό ζητούμενο. Η σταθερότητα και η πυκνότητα της πληροφορίας παίζουν εξίσου καθοριστικό ρόλο. Μια ερευνητική ομάδα από το Πανεπιστήμιο της Τιαντζίν (Tianjin University) έρχεται να δώσει μια εντυπωσιακή λύση σε αυτό το πρόβλημα, παρουσιάζοντας μια νέα οπτική συσκευή ικανή να εναλλάσσει παλμούς Terahertz μεταξύ ηλεκτρικών και μαγνητικών «σκυρμιονίων» (skyrmions).
Η ανακάλυψη ανοίγει νέους δρόμους για την κωδικοποίηση δεδομένων, επιτρέποντας τη δημιουργία εξαιρετικά ανθεκτικών ασύρματων καναλιών επικοινωνίας.
Για να κατανοήσουμε τη σημασία της ανακάλυψης, πρέπει πρώτα να κοιτάξουμε τη φύση αυτών των εξωτικών δομών. Τα σκυρμιόνια δεν είναι σωματίδια με τη συμβατική έννοια, αλλά μάλλον «κόμποι» ενέργειας ή στροβιλισμοί που διατηρούν το σχήμα τους εξαιρετικά σταθερό. Φανταστείτε τα σαν δαχτυλίδια καπνού που, αντί να διαλύονται, παραμένουν συμπαγή ακόμη και όταν συναντούν εμπόδια.
Μέχρι σήμερα, η επιστημονική κοινότητα γνώριζε την ύπαρξη αυτών των δομών, όμως η ικανότητα ελέγχου τους σε πραγματικό χρόνο παρέμενε μια τεράστια πρόκληση. Η νέα συσκευή που ανέπτυξε η ομάδα του Xueqian Zhang και του Jiaguang Han δεν παράγει απλώς αυτά τα μοτίβα φωτός, αλλά καταφέρνει κάτι πολύ πιο σύνθετο: επιτρέπει την άμεση εναλλαγή μεταξύ δύο διαφορετικών καταστάσεων — της ηλεκτρικής και της μαγνητικής.
Το μυστικό της επιτυχίας κρύβεται σε μια ειδικά σχεδιασμένη «μη γραμμική μετα-επιφάνεια». Πρόκειται για ένα υλικό κατασκευασμένο εργαστηριακά, το οποίο διαθέτει ιδιότητες που δεν συναντώνται στη φύση. Η επιφάνεια αυτή αποτελείται από προσεκτικά τοποθετημένες μεταλλικές νανοδομές.
Η διαδικασία λειτουργεί ως εξής: Οι ερευνητές κατευθύνουν παλμούς λέιζερ (στην περιοχή του εγγύς υπέρυθρου) πάνω σε αυτή τη μετα-επιφάνεια. Αλλάζοντας απλώς την πόλωση του εισερχόμενου λέιζερ, η συσκευή αντιδρά παράγοντας παλμούς στην περιοχή των Terahertz. Το εντυπωσιακό είναι πως, ανάλογα με την εντολή, αυτοί οι παλμοί μεταφέρουν είτε ηλεκτρικού τύπου είτε μαγνητικού τύπου σκυρμιόνια.
Όπως εξηγεί ο Xueqian Zhang, συγγραφέας της μελέτης από το Πανεπιστήμιο της Τιαντζίν:
Η συσκευή μας όχι μόνο παράγει περισσότερα από ένα μοτίβα στροβιλισμού σε παλμούς Terahertz που ταξιδεύουν στον ελεύθερο χώρο, αλλά μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την εναλλαγή, κατ’ απαίτηση, μεταξύ των δύο λειτουργιών χρησιμοποιώντας την ίδια ενιαία πλατφόρμα.
Η περιοχή των Terahertz στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα βρίσκεται ανάμεσα στα μικροκύματα (που χρησιμοποιούν τα σημερινά κινητά) και στο υπέρυθρο φως. Θεωρείται το «τελευταίο σύνορο» για τις τηλεπικοινωνίες, καθώς προσφέρει τεράστιο εύρος ζώνης για μεταφορά δεδομένων.
Ωστόσο, η μετάδοση στα Terahertz αντιμετωπίζει συχνά προβλήματα απωλειών και παρεμβολών. Εδώ ακριβώς έρχεται η τοπολογική σταθερότητα των σκυρμιονίων. Λόγω της ιδιαίτερης δομής τους, αυτά τα φωτεινά «δαχτυλίδια» είναι πολύ πιο ανθεκτικά σε διαταραχές σε σχέση με τα συμβατικά κύματα. Αν μπορούμε να κωδικοποιήσουμε πληροφορία (τα 0 και τα 1 των υπολογιστών) πάνω σε αυτές τις αλλαγές μεταξύ ηλεκτρικών και μαγνητικών καταστάσεων, τότε μιλάμε για ένα σύστημα επικοινωνίας που είναι ταυτόχρονα ταχύτατο και απίστευτα αξιόπιστο.
Ένα από τα σημαντικότερα πλεονεκτήματα της νέας αυτής προσέγγισης είναι η απλότητα της υλοποίησης. Αντί για ογκώδεις και πολύπλοκες διατάξεις, η ομάδα πέτυχε τον στόχο της χρησιμοποιώντας απλά οπτικά στοιχεία για τον έλεγχο του λέιζερ εισόδου.
«Χρησιμοποιώντας απλά στοιχεία, όπως πλακίδια λ/4 και μετατροπείς δίνης για τον έλεγχο του μοτίβου πόλωσης του λέιζερ εισόδου, είμαστε σε θέση να δημιουργήσουμε μια συμπαγή συσκευή που μπορεί να εναλλάσσει ενεργά μεταξύ δύο διακριτών τοπολογικών καταστάσεων φωτός», αναφέρει ο επικεφαλής του project, Jiaguang Han.
Για να επιβεβαιώσουν τα αποτελέσματά τους, οι ερευνητές δεν αρκέστηκαν σε θεωρητικά μοντέλα. Κατασκεύασαν ένα σύστημα μετρήσεων εξαιρετικά υψηλής ταχύτητας, το οποίο τους επέτρεψε να χαρτογραφήσουν την εξέλιξη των ηλεκτρομαγνητικών πεδίων καθώς αυτά ταξίδευαν στον χώρο, επιβεβαιώνοντας ότι τα σκυρμιόνια διατηρούσαν τη δομή τους.
Η δυνατότητα εναλλαγής μεταξύ ηλεκτρικών και μαγνητικών τρόπων λειτουργίας σε τέτοιες ταχύτητες ανοίγει την πόρτα για εντελώς νέες εφαρμογές:
Ασύρματα Δίκτυα 6G: Πιο γρήγορα, πιο ασφαλή και λιγότερο επιρρεπή σε παρεμβολές.Επεξεργασία Πληροφοριών με Φως: Υπολογιστές που θα «σκέφτονται» με φως αντί για ρεύμα, αυξάνοντας δραματικά την ταχύτητα επεξεργασίας.Αισθητήρες Ακριβείας: Η ευαισθησία των σκυρμιονίων σε συγκεκριμένες αλλαγές του περιβάλλοντος μπορεί να οδηγήσει σε νέους τύπους ανιχνευτών υλικών.
Η έρευνα αυτή αποδεικνύει πως η σύγχρονη φυσική, και συγκεκριμένα ο κλάδος της φωτονικής, μετακινείται από την απλή παρατήρηση φαινομένων στην ενεργή «μηχανική» του φωτός. Δεν παρακολουθούμε πλέον απλώς το πώς κινείται το φως, αλλά το πλάθουμε σε σχήματα και δομές που εξυπηρετούν τις ανάγκες της ψηφιακής μας εποχής.