En EPFL, Los investigadores desafían una ley fundamental y descubren que se puede almacenar más energía electromagnética en los sistemas de guía de ondas de lo que se pensaba. El descubrimiento tiene implicaciones en las telecomunicaciones. Trabajando alrededor de la ley fundamental, Concibieron sistemas de guía de ondas y resonantes capaces de almacenar energía durante un período prolongado manteniendo un ancho de banda amplio. Su truco consistía en crear sistemas de guía de ondas o resonantes asimétricos utilizando campos magnéticos.

El estudio, que acaba de ser publicado en Ciencias , fue dirigido por Kosmas Tsakmakidis, primero en la Universidad de Ottawa y luego en el Laboratorio de Sistemas Bionanofotónicos de EPFL dirigido por Hatice Altug, donde el investigador ahora está realizando una investigación postdoctoral.

Este avance podría tener un gran impacto en muchos campos de la ingeniería y la física. El número de aplicaciones potenciales es casi infinito, con telecomunicaciones, sistemas de detección óptica y captación de energía de banda ancha son solo algunos ejemplos.

Dejando de lado la reciprocidad

Los sistemas de guía de ondas y resonantes están presentes en la gran mayoría de los sistemas ópticos y electrónicos. Su función es almacenar temporalmente energía en forma de ondas electromagnéticas y luego liberarlas. Durante más de 100 años, estos sistemas estaban frenado por una limitación que se consideraba fundamental:el tiempo que podía almacenarse una onda era inversamente proporcional a su ancho de banda. Esta relación se interpretó en el sentido de que era imposible almacenar grandes cantidades de datos en sistemas resonantes o de guía de ondas durante un largo período de tiempo porque aumentar el ancho de banda significaba disminuir el tiempo de almacenamiento y la calidad del almacenamiento.

Esta ley fue formulada por primera vez por K. S. Johnson en 1914, en Western Electric Company (el precursor de Bell Telephone Laboratories). Introdujo el concepto del factor Q, según el cual un resonador puede almacenar energía durante mucho tiempo o tener un ancho de banda amplio, pero no ambos al mismo tiempo. Aumentar el tiempo de almacenamiento significó disminuir el ancho de banda, y viceversa. Un ancho de banda pequeño significa un rango limitado de frecuencias (o 'colores') y, por lo tanto, una cantidad limitada de datos.

Hasta ahora, este concepto nunca había sido cuestionado. Los físicos e ingenieros siempre habían construido sistemas resonantes, como los que producen láseres, hacer circuitos electrónicos y realizar diagnósticos médicos, teniendo en cuenta esta limitación.

Pero esa limitación es ahora cosa del pasado. Los investigadores crearon un sistema híbrido de guía de ondas / resonante hecho de un material magneto-óptico que, cuando se aplica un campo magnético, es capaz de detener la ola y almacenarla durante un período prolongado, acumulando así grandes cantidades de energía. Luego, cuando el campo magnético se apaga, se libera el pulso atrapado.

Con tales sistemas asimétricos y no recíprocos, era posible almacenar una onda durante un período de tiempo muy largo y al mismo tiempo mantener un gran ancho de banda. El límite de ancho de banda de tiempo convencional fue incluso superado por un factor de 1, 000. Los científicos demostraron además que, teóricamente, no existe un techo superior a este límite en absoluto en estos sistemas asimétricos (no recíprocos).

"Fue un momento de revelación cuando descubrimos que estas nuevas estructuras no presentaban ninguna restricción de ancho de banda de tiempo en absoluto. Estos sistemas son diferentes a los que todos hemos estado acostumbrados durante décadas, y posiblemente cientos de años ", dice Tsakmakidis, el autor principal del estudio. "Su rendimiento superior en capacidad de almacenamiento de ondas podría realmente ser un facilitador para una gama de aplicaciones interesantes en diversos campos de investigación contemporáneos y más tradicionales". Añade Hatice Altug.

Medicamento, el medio ambiente y las telecomunicaciones

Una posible aplicación es el diseño de búferes totalmente ópticos extremadamente rápidos y eficientes en redes de telecomunicaciones. La función de los búferes es almacenar temporalmente los datos que llegan en forma de luz a través de fibras ópticas. Al ralentizar la masa de datos, es más fácil de procesar. Hasta ahora, la calidad del almacenamiento había sido limitada. +

Con esta nueva técnica, Debería ser posible mejorar el proceso y almacenar grandes anchos de banda de datos durante períodos prolongados. Otras aplicaciones potenciales incluyen espectroscopia en chip, captación de luz de banda ancha y almacenamiento de energía, y camuflaje óptico de banda ancha ("encubrimiento de invisibilidad"). "El avance reportado es completamente fundamental:estamos brindando a los investigadores una nueva herramienta. Y el número de aplicaciones está limitado solo por la imaginación de uno, "resume Tsakmakidis.