Investigadores de la Universidad de California, Berkeley, han encontrado una nueva forma de aprovechar las propiedades de las ondas de luz que pueden aumentar radicalmente la cantidad de datos que transportan. Demostraron la emisión de rayos láser de torsión discretos de antenas formadas por anillos concéntricos aproximadamente iguales al diámetro de un cabello humano. lo suficientemente pequeño como para colocarlo en chips de computadora.

El nuevo trabajo informó en un artículo publicado el jueves, 25 de febrero en el diario Física de la naturaleza , abre de par en par la cantidad de información que se puede multiplexar, o transmitido simultáneamente, por una fuente de luz coherente. Un ejemplo común de multiplexación es la transmisión de múltiples llamadas telefónicas a través de un solo cable, pero había límites fundamentales para el número de ondas de luz retorcidas coherentes que podían multiplexarse ​​directamente.

"Es la primera vez que los láseres que producen luz retorcida se multiplexan directamente, "dijo el investigador principal del estudio, Boubacar Kanté, el Profesor Asociado Chenming Hu en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación de UC Berkeley. "Hemos experimentado una explosión de datos en nuestro mundo, y los canales de comunicación que tenemos ahora pronto serán insuficientes para lo que necesitamos. La tecnología que informamos supera los límites actuales de capacidad de datos a través de una característica de la luz llamada momento angular orbital. Es un cambio de juego con aplicaciones en imágenes biológicas, criptografía cuántica, comunicaciones y sensores de alta capacidad ".

Kanté, quien también es científico de la facultad en la División de Ciencias de los Materiales en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), ha continuado este trabajo en UC Berkeley después de haber comenzado la investigación en UC San Diego. El primer autor del estudio es Babak Bahari, un ex Ph.D. estudiante en el laboratorio de Kanté.

Kanté dijo que los métodos actuales de transmisión de señales a través de ondas electromagnéticas están llegando a su límite. Frecuencia, por ejemplo, se ha saturado, por eso hay un número limitado de emisoras que se pueden sintonizar en la radio. Polarización, donde las ondas de luz se separan en dos valores, horizontal o vertical, pueden duplicar la cantidad de información transmitida. Los cineastas aprovechan esto al crear películas en 3D, permitiendo que los espectadores con anteojos especializados reciban dos conjuntos de señales, una para cada ojo, para crear un efecto estereoscópico y la ilusión de profundidad.

Aprovechando el potencial en un vórtice

Pero más allá de la frecuencia y la polarización está el momento angular orbital, o OAM, una propiedad de la luz que ha atraído la atención de los científicos porque ofrece una capacidad exponencialmente mayor para la transmisión de datos. Una forma de pensar en OAM es compararlo con el vórtice de un tornado.

"El vórtice en la luz, con sus infinitos grados de libertad, pueden, en principio, soportar una cantidad ilimitada de datos, ", dijo Kanté." El desafío ha sido encontrar una manera de producir de manera confiable el número infinito de haces OAM. Nunca antes nadie había producido haces OAM de cargas tan altas en un dispositivo tan compacto ".

Los investigadores comenzaron con una antena, uno de los componentes más importantes del electromagnetismo y, ellos notaron, fundamental para las tecnologías 5G en curso y las próximas 6G. Las antenas de este estudio son topológicas, lo que significa que sus propiedades esenciales se conservan incluso cuando el dispositivo está torcido o doblado.

Creando anillos de luz

Para hacer la antena topológica, los investigadores utilizaron litografía por haz de electrones para grabar un patrón de cuadrícula en fosfuro de arseniuro de galio indio, un material semiconductor, y luego pegó la estructura a una superficie hecha de granate de hierro ytrio. Los investigadores diseñaron la cuadrícula para formar pozos cuánticos en un patrón de tres círculos concéntricos, el más grande de aproximadamente 50 micrones de diámetro, para atrapar fotones. El diseño creó las condiciones para soportar un fenómeno conocido como efecto Hall cuántico fotónico, que describe el movimiento de los fotones cuando se aplica un campo magnético, obligando a la luz a viajar en una sola dirección en los anillos.

“La gente pensaba que el efecto Hall cuántico con un campo magnético podría usarse en electrónica pero no en óptica debido al débil magnetismo de los materiales existentes en frecuencias ópticas, ", dijo Kanté." Somos los primeros en demostrar que el efecto Hall cuántico funciona para la luz ".

Aplicando un campo magnético perpendicular a su microestructura bidimensional, los investigadores generaron con éxito tres rayos láser OAM que viajaban en órbitas circulares sobre la superficie. El estudio mostró además que los rayos láser tenían números cuánticos tan grandes como 276, refiriéndose al número de veces que la luz gira alrededor de su eje en una longitud de onda.

"Tener un número cuántico más grande es como tener más letras para usar en el alfabeto, ", dijo Kanté." Estamos permitiendo que la luz amplíe su vocabulario. En nuestro estudio, demostramos esta capacidad en longitudes de onda de telecomunicaciones, pero en principio, se puede adaptar a otras bandas de frecuencia. Aunque creamos tres láseres, multiplicar la tasa de datos por tres, no hay límite para el número posible de haces y la capacidad de datos ".

Kanté dijo que el siguiente paso en su laboratorio es hacer anillos de Hall cuánticos que utilicen electricidad como fuentes de energía.