حل یک مشکل 100 ساله فیزیک

 محققان موسسه پلی تکنیک فدرال لوزان (EPFL) پس از 100 سال، راه حلی برای یکی از محدودیت های بنیادی فیزیک کشف کرده اند که افق های جدیدی بویژه در حوزه ارتباطات مخابراتی پیش روی محققان می گشاید.

سیستم های رزونانس و هدایت کننده موج (wave-guiding) در اکثر سیستم های نوری و الکترونیک وجود دارند و نقش آنها، ذخیره موقتی انرژی به شکل موج های الکترومغناطیس و سپس آزاد کردن آنهاست.

برای بیش از 100 سال، این سیستم ها با یک محدودیت بنیادی مواجه بودند: طول مدت زمانی که یک موج می توانست ذخیره شود، معکوس متناسب با پهنای باند آن بود. این رابطه بدان معناست که ذخیره حجم زیادی از داده ها در سیستم های رزونانس یا هدایت کننده موج در طول یک دوره زمانی طولانی غیرممکن است، چراکه افزایش پهنای باند باعث کاهش زمان و کیفیت ذخیره سازی می شود.

این قانون نخستین بار در سال 1914 توسط کی. سی جانسون مطرح شد که براساس آن، یک رزوناتور (resonator) می تواند یا برای مدت طولانی انرژی ذخیره سازی کند یا دارای پهنای باند وسیع باشد، اما نمی تواند هر دو را با هم داشته باشد.

در این شرایط، افزایش مدت زمان ذخیره سازی به معنای کاهش پهنای باند و برعکس است. در پهنای باند کم، طیف محدودی از فرکانس ها (یا رنگ ها) وجود داشته و درنتیجه، حجم داده ها محدود می شود.

در مطالعه اخیری که به سرپرستی کاسماس تساکماکیدیس از آزمایشگاه سیستم های بیونانوفوتونیک EPFL انجام شد، محققان دریافتند که برخلاف تصورات قبلی، انرژی الکترومغناطیس می تواند در سیستم های هدایت شده توسط موج ذخیره شود. براین اساس، سیستم های رزونانس و هدایت کننده موج قادر به ذخیره سازی انرژی در یک دوره طولانی در عین حفظ پهنای باند وسیع هستند.

محققان از ترفندی جدید برای حل این مشکل 100 ساله استفاده کردند؛ این ترفند شامل ایجاد سیستم های رزونانس نامتقارن یا هدایت کننده موج (wave-guiding) با استفاده از میدان های مغناطیسی بود.

این محدودیت بنیادی با استفاده از سیستم رزونانس ترکیبی / هدایت کننده موج ساخته شده از مواد مغناطیسی- نوری (magneto- optic) برطرف شد. زمانی که میدان مغناطیسی اعمال می شود، سیستم قادر به توقف موج و ذخیره سازی انرژی برای یک دوره طولانی است.

این دستاورد، تأثیر بسیار زیادی بر حوزه های مختلف مهندسی و فیزیک خواهد داشت و ارتباطات مخابراتی، سیستم های تشخیص نوری، صرفه جویی در مصرف انرژی پهنای باند، از جمله کاربردهای متنوع این مطالعه محسوب می شود.
نتایج این مطالعه در مجله Science منتشر شد.