Czy kiedyś będzie możliwe przesyłanie danych niczym w Star Treku, z prędkością warp? Czy naukowcy zmierzą się z ograniczeniami elektroniki i coraz mniejszą dynamiką wzrostu szybkości mikroprocesorów? Na te pytania odpowiedzi szuka doktorantka Instytutu Fizyki Teoretycznej i Astrofizyki Uniwersytetu Gdańskiego, mgr Oksana Worynycz, która zainteresowała się tak zwanymi falami X i przygotowała na ich temat rozprawę. Jej badania skupiają się na najnowocześniejszych platformach nanooptycznych, w których impulsy świetlne złapane między zwierciadła oddziałują z ładunkami elektrycznymi, tworząc niesłychane, poruszające się z nadświetlną prędkością „pociski”. Wkrótce odbędzie się obrona jej pracy doktorskiej.
Kiedy w 1834 roku szkocki inżynier John Scott Russell po raz pierwszy zaobserwował solitony – pojedyncze fale niosące energię i przemieszczające się po powierzchni wody bez zniekształceń – nie zdawał sobie sprawy że jego odkrycie 180 lat później może zrewolucjonizować elektronikę i telekomunikację. Solitony istnieją wyłącznie w ośrodkach nieliniowych, czyli takich, w których siły oddziaływania nie zmieniają się proporcjonalnie do parametrów układu. W naturze takich systemów jest niewiele i stanowią one szczególny obszar zainteresowań w fizyce, inżynierii, a nawet matematyce. Aby wytworzyć solitony, wystarczy do takiego ośrodka wpuścić impuls, który po chwili sam przyjmie odpowiedni kształt i będzie przemieszczał się z dużą prędkością bez zniekształceń. Dzięki temu, że nieliniowość występuje np. w światłowodach, możliwe stało się przesyłanie za ich pomocą danych z prędkością terabitów na sekundę i na odległość tysięcy kilometrów. Korzystając z Internetu czy telefonu, w istocie każdy z nas przesyła informacje solitonami.
Oksana Woronycz, pochodząca z Ukrainy doktorantka Uniwersytetu Gdańskiego zainteresowała się takimi obiektami i w 2012 roku zaczęła je badać metodami teoretycznymi i numerycznymi. Na początku tego wieku odkryto byty, które mogą jeszcze lepiej nadawać się do przekazywania informacji. Są to bardzo skupione „pociski” falowe, których przekrój ma charakterystyczny kształt przypominający literę X. Składają się one z wielu nakładających się na siebie fal, które przemieszczają się niczym materialna cząstka. Do ich istnienia nieliniowość nie jest już potrzebna, chociaż dzięki niej można je wytwarzać podobnie jak solitony – wpuszczając impuls do ośrodka. Fale te nie rozpływają się i mogą istnieć znacznie dłużej niż jakiekolwiek inne fale w tym samym medium. Wykorzystano je już np. do poprawienia rozdzielczości ultrasonografów i w bardzo precyzyjnych kierunkowych antenach radiowych. Najdziwniejsze jest to, że elementy składowe fal X mogą poruszać się z prędkością nadświetlną. Nie można nimi jednak w ten sposób przesłać informacji szybciej niż światło (z szybkością warp) – zakazuje tego szczególna teoria względności Einsteina. Ale i przy niższych prędkościach fale X wydają się doskonałym środkiem długodystansowej komunikacji przyszłości.
Jak najlepiej wykorzystać fale X? Elektronika, która była motorem postępu w XX wieku, powoli wyczerpuje swoje możliwości. Ograniczenia, które stoją za przesyłaniem informacji za pomocą ładunków elektrycznych w półprzewodnikach, są coraz wyraźniej widoczne. Pokazuje to prawo Moore’a, które w epoce pierwszych komputerów mówiło o dwukrotnym zwiększeniu ich mocy co 1,5 roku. Już teraz wzrost szybkości urządzeń elektronicznych spadł i ich prędkość działania zwiększa się dwa razy tylko co dwa lata. Niedługo być może osiągniemy granicę wydajności tradycyjnej elektroniki.
Dlatego mgr Woronycz zaczęła badać możliwość tworzenia fal X w układach optycznych. Wykorzystanie fotonów pozwala na przesunięcie granic wydajności układów i budowanie zminiaturyzowanych komputerów, które będą przetwarzać terabity danych na sekundę. Szczególne zainteresowanie naukowców budzi dziedzina zwana nanooptyką, w której fotonika jest łączona razem z elektroniką i nanotechnologią. W miniaturowych mikrownękach złożonych z półprzewodników zamkniętych między silnie odbijającymi światło zwierciadłami i schłodzonych do niskich temperatur zamykane są fotony, które mogą się odbijać miliony razy, dzięki czemu zaczynają oddziaływać z ładunkami elektrycznymi. Elektrony i ich dodatnie odpowiedniki, tzw. „dziury”, tworzą razem wirtualne cząstki – ekscytony, znane w elektronice. Ekscytony oddziałujące z fotonami tworzą natomiast polarytony – nowe, krótko żyjące wirtualne cząstki. Polarytony ekscytonowe wykazują nowe właściwości i stają się obiektami kwantowymi.
Za pomocą skomplikowanych obliczeń komputerowych mgr Woronycz pokazała, jak można wytworzyć fale X w mikrownękach i jak fale te się przemieszczają. Praca ta została ukoronowana eksperymentem we włoskim ośrodku CNR NANOTEC w Lecce, gdzie w laboratorum profesora Daniele Sanvitto wytworzono takie fale. Wyniki zainteresowały nawet naukowców ze Szwajcarii oraz z Chin, którzy także badają układy nanooptyczne. Oprogramowanie komputerowe stworzone przez doktorantkę jest już wykorzystywane przez zagranicznych naukowców do badania polarytonów ekscytonowych w celu np. budowy ultraprecyzyjnych żyroskopów, które w przyszłości będą montowane w satelitach.
Praca badaczki pokazuje, jak dzięki międzynarodowej współpracy pomiędzy Uniwersytetem Gdańskim, Włoską Akademią Nauk oraz Ukrainą możliwe jest tworzenie najnowocześniejszych technologii, które być może niedługo zrewolucjonizują nasze komputery i Internet.
Badania prowadzone przez mgr Oksanę Woronycz były realizowane na Uniwersytecie Gdańskim w ramach międzynarodowych projektów Marie Curie Career Integration Grant (nr 322150, 7. Program Ramowy UE) oraz MNiSW Iuventus Plus (IP 2014 044873).
Autor: Adam Buraczewski
Źródło: Uniwersytet Gdański
Ilustracja: Zdjęcie fali „X” przemieszczającej się w mikrownęce ekscytonowo-polarytonowej [ilustracja z artykułu A. Gianfrate, L. Dominici, O. Voronych, M. Matuszewski, M. Stobińska, D. Ballarini, M. De Giorgi, G. Gigli and D. Sanvitto, “Superluminal X waves in a polariton quantum fluid”, Light: Science & Applications 7, e17119 (2018)]
