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Los investigadores han desarrollado una estructura casi cristalina que genera minivórtices de luz que pueden transportar enormes cantidades de datos. Está compuesto de nanopartículas metálicas dispuestas con mucha precisión para generar cualquier tipo de vórtice, interactuando con un haz de luz contenido en un campo eléctrico. Cuando se aplica a fibras ópticas, la estructura podría transportar de 8 a 16 veces más información que los sistemas actuales.
La transmisión de información en la era digital depende en gran medida de la codificación de datos fotónicos. La fibra óptica es actualmente la infraestructura más utilizada para este fin. Sin embargo, las crecientes demandas de capacidad de información requieren el desarrollo de sistemas que puedan codificar y transportar mayores volúmenes de datos.
Desde hace varios años se exploran los vórtices de luz para optimizar el transporte fotónico de información. Estos vórtices tienen como objetivo manipular los defectos topológicos de la luz para controlar la forma en que se refleja y la información que transporta. Si bien algunos defectos topológicos se forman espontáneamente y son ubicuos en la naturaleza, otros pueden surgir de la simetría en la estructura de los materiales con los que interactúa la luz. Esto afecta la forma y estructura del vórtice resultante.
Por ejemplo, los materiales cuya estructura está dispuesta en cuadrados (o mosaicos) generan vórtices simples, mientras que los patrones hexagonales generan un vórtice doble, etc. Los remolinos más complejos requieren al menos estructuras octogonales. Sin embargo, generar agujeros de gusano lo suficientemente complejos para la codificación de datos plantea un desafío importante.
El nuevo diseño del equipo de la Universidad Aalto (en Finlandia) supera estos desafíos y podría generar cualquier tipo de vórtice. “ Esta investigación se centra en la relación entre la simetría de los vórtices y la rotacionalidad, es decir, qué tipos de vórtices se pueden generar con qué tipos de simetrías. Nuestro diseño cuasicristalino está a medio camino entre el orden y el caos », explica en un comunicado de prensa Päivi Törmä, quien dirigió el estudio, publicado en la revista Comunicaciones de la naturaleza.
Hacia infraestructuras de telecomunicaciones de nueva generación
El diseño es un cuasicristal compuesto de nanopartículas metálicas. Al igual que los cristales clásicos, los cuasicristales tienen un espectro de difracción discreto, pero a diferencia de los primeros, su estructura no es periódica. Para crear su cuasicristal, los investigadores manipularon 100.000 nanopartículas metálicas cuyo diámetro no supera la centésima parte de un cabello humano. El conjunto interactúa con un haz de luz en un campo eléctrico controlado.
La estructura del vórtice de luz generado es comparable a la de un ciclón. Tiene un “ojo” tranquilo y oscuro en el centro que está rodeado por un anillo de luz brillante formado por corrientes orientadas en diferentes direcciones. Para identificar la disposición óptima para generar vórtices complejos, el equipo adoptó un enfoque contrario a la intuición de identificar los puntos donde las partículas interactúan menos con el campo eléctrico.
« Un campo eléctrico tiene puntos calientes de fuerte vibración y puntos donde está prácticamente inactivo. Introdujimos partículas en los puntos muertos, lo que desactivó todo lo demás y nos permitió seleccionar el campo con las propiedades más interesantes para las aplicaciones. “, explica Jani Matti Taskinen, coautor principal del estudio.
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Emisión láser de alta carga topológica en modos cuasicristalinos plasmónicos. © Kristian Arjas et al.
Esta técnica permitiría así ajustar los patrones para generar estructuras de vórtices complejas en función de las necesidades. “ Nuestro diseño de cuasicristal utiliza la teoría de grupos para determinar los nodos del campo electromagnético, donde se colocan las nanopartículas plasmónicas para maximizar la ganancia. », escriben los expertos en el documento. La teoría de grupos es un método de cálculo para predecir el tipo de deformación que podría sufrir la estructura de un material.
Estos complejos vórtices permitirían almacenar grandes volúmenes de información en un espacio reducido. Podrían ser transportados a través de fibras ópticas y luego descomprimidos una vez lleguen a su destino. Según las estimaciones del equipo, estas fibras permitirían, en el mejor de los casos, transportar de 8 a 16 veces más información que las actuales.
Este enfoque podría allanar el camino para una nueva generación de infraestructura de telecomunicaciones. Sin embargo, las mejoras necesarias en el concepto para aplicaciones prácticas requerirán varios años más de investigación, dijeron los científicos.
