Valon ja sähkömagneettisten kenttien hallintaan pienissä valohurrikaaneissa keskittyvän tutkimuksen tulos voisi moninkertaistaa optisten kaapelien kautta kuljetettavan tiedon määrää.

Monet modernin yhteiskunnan palvelut, kuten internet, perustuvat tietoliikenteeseen, jossa tietoa koodataan laservaloon ja välitetään sen avulla optisia kaapeleita pitkin. Jatkuvasti kasvava tiedonsiirtokapasiteetin tarve asettaa kuitenkin paineita kehittää entistä tehokkaampia koodausmenetelmiä.

Aalto-yliopiston teknillisen fysiikan laitoksen tutkijat ovat nyt kehittäneet uuden menetelmän, joka voi merkittävästi kasvattaa tätä optisten kaapeleiden tiedonsiirtokapasiteettia. Menetelmä perustuu valon ja sähkömagneettisten kenttien hallintaan niin sanotuissa valohurrikaaneissa eli vortekseissa.

Professori Päivi Törmän johtaman Quantum Dynamics -tutkimusryhmän väitöskirjatutkijat Kristian Arjas ja Jani Taskinen ovat kehittäneet uuden geometrisen suunnittelumenetelmän, joka mahdollistaa pienten valohurrikaanien luomisen. Tämä perustuu sähkömagneettisen kentän ja metallisten nanohiukkasten vuorovaikutukseen. "Kvasikristalleiksi" kutsuttujen rakenteiden avulla voidaan koodata ja välittää tietoa huomattavasti nykyistä tehokkaammin.

Vorteksi on valosäteessä esiintyvä hurrikaanin kaltainen ilmiö, jossa kirkkaan valon rengas ympäröi rauhallista ja pimeää keskustaa – kuin hurrikaanin silmää. Tämä vorteksin silmä taas on pimeä, koska kirkkaan valon sähkökenttä osoittaa eri suuntiin säteen eri puolilla.

Tutkijat ovat jo aiemmin osoittaneet, että vorteksien ominaisuudet riippuvat niitä tuottavan rakenteen symmetriasta. Esimerkiksi neliöihin järjestetyt nanoskaalan hiukkaset tuottavat yhden vorteksin; kuusikulmainen rakenne tuottaa kaksoisvortexin ja niin edelleen. Näitä monimutkaisempien vorteksien tuottaminen vaatii siis vähintään kahdeksankulmaisia rakenteita.

Arjas ja Taskinen ovat yhdessä muun tutkimusryhmän kanssa löytäneet menetelmän sellaisten geometristen muotojen luomiseen, jotka voivat teoriassa tuottaa lähes minkä tahansa tyyppisiä vortekseja.

– Tässä tutkimuksessa tarkastellaan vorteksin symmetrian ja rotaation välistä suhdetta, eli minkälaisia vortekseja voimme tuottaa minkälaisilla symmetrioilla. Kvasikristallimme on tavallaan puoliksi järjestystä ja puoliksi kaaosta, Törmä kuvailee tiedotteessa.

Tutkimuksessaan ryhmä manipuloi 100 000 metallista nanohiukkasta, kukin kooltaan noin sadasosa ihmisen hiuksen paksuudesta, luodakseen tämän ainutlaatuisen asetelmansa. Keskeistä oli löytää sellaiset asettelut, joissa hiukkasten vuorovaikutus sähkömagneettisen kentän kanssa oli mahdollisimman vähäistä.

– Sähköisessä kentässä on voimakkaita värähtelykohtia ja toisaalta kohtia, joissa se on käytännössä kuollut. Veimme hiukkasia näihin kuolleisiin kohtiin, mikä sammutti kaiken muun, ja mahdollisti meille mielenkiintoisimpien kenttien valitsemisen sovelluksia varten, Taskinen kertoo.

Löytö avaa uusia tutkimusmahdollisuuksia hyvin aktiivisella valon topologian tutkimusalueella. Se on myös varhainen askel tehokkaalle tavalle välittää tietoa kaikkialle, missä käytetään valoa koodatun tiedon lähettämiseen, kuten esimerkiksi telekommunikaatiossa.

– Voisimme esimerkiksi lähettää näitä vortekseja optisia kuitukaapeleita pitkin ja purkaa ne määränpäässä. Tämä voisi kasvattaa tiedonsiirtokapasiteettia jopa 8–16-kertaiseksi nykyiseen verrattuna, Arjas sanoo.

Vaikka käytännön sovellukset ovat vielä vuosien päässä, Quantum Dynamics -ryhmä jatkaa tutkimustaan muun muassa superjohtavuuden ja orgaanisen LED-teknologian parissa. Ryhmä hyödynsi uraauurtavassa tutkimuksessaan kansallista nano-, mikro- ja kvanttiteknologian tutkimusinfrastruktuuri OtaNanoa.

Tutkimus julkaistiin marraskuun alussa Nature Communications -lehdessä.

Aamuset-kaupunkimedia (AKM)