Μια ομάδα μηχανικών από το University of Southern California (USC) έκανε ένα βήμα που θα μπορούσε να αλλάξει ριζικά το μέλλον της φωτονικής τεχνολογίας. Για πρώτη φορά, δημιούργησαν μια οπτική συσκευή που λειτουργεί βάσει ενός νέου επιστημονικού πλαισίου που ονομάζεται «οπτική θερμοδυναμική», μια προσέγγιση που επιτρέπει στο φως να οργανώνεται και να κατευθύνεται μόνο του, χωρίς διακόπτες ή ηλεκτρονικό έλεγχο. Η ανακάλυψη, που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature Photonics, υπόσχεται να απλοποιήσει τις επικοινωνίες και τους υπολογισμούς που βασίζονται στο φως, φέρνοντας πιο κοντά έναν κόσμο με ταχύτερη και πιο αποδοτική τεχνολογία.
Από τους σωλήνες και τα κυκλώματα στα μονοπάτια του φωτός
Στην παραδοσιακή μηχανική, η ροή ενός υγρού ελέγχεται μέσω βαλβίδων, ενώ στα ηλεκτρονικά δίκτυα οι πληροφορίες κατευθύνονται από routers ή switches που καθορίζουν ποιο σήμα θα φτάσει σε ποιον προορισμό. Όταν όμως προσπαθεί κανείς να κάνει κάτι αντίστοιχο με το φως, τα πράγματα γίνονται πολύ πιο περίπλοκα. Οι οπτικοί δρομολογητές που χρησιμοποιούνται σήμερα βασίζονται σε πολύπλοκα δίκτυα διακοπτών και ηλεκτρονικά κυκλώματα, κάτι που αυξάνει το κόστος, μειώνει την ταχύτητα και περιορίζει την αποδοτικότητα.
Οι ερευνητές του USC Viterbi School of Engineering προτείνουν έναν εντελώς διαφορετικό τρόπο σκέψης. Αντί να αναγκάζουν το φως να ακολουθεί προκαθορισμένες διαδρομές, δημιούργησαν ένα σύστημα όπου το ίδιο το φως «επιλέγει» τη σωστή πορεία, όπως τα σωματίδια ενός αερίου που φυσικά φτάνουν σε κατάσταση ισορροπίας. Η διαδικασία θυμίζει ένα λαβύρινθο όπου, αντί να ρυθμίζει κάποιος τα εμπόδια, η διαδρομή είναι σχεδιασμένη έτσι ώστε όποια κι αν είναι η αρχική θέση της «μπίλιας», εκείνη να καταλήγει πάντα στο σωστό σημείο. Το φως, με βάση τις αρχές της θερμοδυναμικής, οργανώνεται με παρόμοιο τρόπο μέσα στη συσκευή.
Όταν η θερμοδυναμική συναντά την οπτική
Η βασική ιδέα πίσω από την οπτική θερμοδυναμική είναι απλή αλλά επαναστατική: σε πολύπλοκα, μη γραμμικά οπτικά συστήματα, το φως μπορεί να συμπεριφέρεται όπως ένα αέριο που επιδιώκει φυσική ισορροπία. Ενώ τέτοια συστήματα θεωρούνταν μέχρι τώρα χαοτικά και δύσκολα ελέγξιμα, οι ερευνητές του USC απέδειξαν ότι μέσα σε αυτό το χάος κρύβεται μια φυσική τάση προς την οργάνωση.
Αναλύοντας το πώς το φως κατανέμεται και αλληλεπιδρά μέσα σε μη γραμμικές οπτικές διατάξεις, η ομάδα ανέπτυξε το θεωρητικό πλαίσιο της «οπτικής θερμοδυναμικής». Με βάση αυτό, το φως μπορεί να υποστεί διαδικασίες που θυμίζουν διαστολή, συμπίεση και ακόμη και «φασικές μεταβάσεις», όπως ακριβώς συμβαίνει στα αέρια και στα υγρά. Η νέα θεωρία προσφέρει έναν ενιαίο τρόπο να κατανοούμε και να αξιοποιούμε τη φυσική αυτοοργάνωση του φωτός.
Η συσκευή που κατευθύνει το φως μόνη της
Η ερευνητική ομάδα του USC, από το Ming Hsieh Department of Electrical and Computer Engineering, δημιούργησε την πρώτη συσκευή που εφαρμόζει στην πράξη αυτές τις ιδέες. Αντί να χρησιμοποιεί διακόπτες για να «στρίψει» τη δέσμη φωτός προς τον σωστό προορισμό, το σύστημα έχει σχεδιαστεί ώστε το ίδιο το φως να βρίσκει αυτόματα τη διαδρομή του.
Το φαινόμενο είναι εμπνευσμένο άμεσα από τη θερμοδυναμική: όπως ένα αέριο που υφίσταται τη γνωστή διαδικασία της διαστολής Joule–Thomson, αναδιανέμοντας φυσικά την πίεση και τη θερμοκρασία του μέχρι να φτάσει σε ισορροπία, έτσι και το φως στο νέο οπτικό κύκλωμα περνά από δύο φάσεις, πρώτα «οπτική διαστολή» και ύστερα «θερμική ισορροπία». Το αποτέλεσμα είναι μια φυσική, αυτορυθμιζόμενη ροή φωτονίων που συγκλίνει αυτόματα στο επιθυμητό σημείο εξόδου, χωρίς καμία εξωτερική παρέμβαση.
Προς μια νέα εποχή φωτονικής τεχνολογίας
Οι επιπτώσεις αυτής της ανακάλυψης εκτείνονται πολύ πέρα από τη θεωρία. Καθώς η βιομηχανία των ημιαγωγών και της πληροφορικής πλησιάζει τα φυσικά της όρια, κορυφαίες εταιρείες όπως η NVIDIA εξερευνούν την οπτική τεχνολογία ως λύση για ταχύτερη και πιο ενεργειακά αποδοτική επεξεργασία δεδομένων. Το νέο μοντέλο αυτοοργάνωσης του φωτός θα μπορούσε να απλοποιήσει την ανάπτυξη τέτοιων συστημάτων, μειώνοντας την ανάγκη για περίπλοκους ηλεκτρονικούς ελέγχους και αυξάνοντας θεαματικά την ταχύτητα επικοινωνίας και υπολογισμού.
Επιπλέον, οι εφαρμογές δεν περιορίζονται στους υπολογιστές. Από τις τηλεπικοινωνίες και την κβαντική πληροφορική έως την ασφαλή μετάδοση δεδομένων, η αρχή της οπτικής θερμοδυναμικής μπορεί να αποτελέσει τη βάση για μια νέα γενιά «έξυπνων» συσκευών φωτός – απλών στη σχεδίαση, αλλά πανίσχυρων στη λειτουργία τους.
Από το χάος στην προβλεψιμότητα
«Πέρα από τη δρομολόγηση φωτός, το νέο αυτό πλαίσιο μπορεί να ανοίξει δρόμους για εντελώς διαφορετικούς τρόπους διαχείρισης της οπτικής ενέργειας, με επιπτώσεις στην πληροφορική, στις επικοινωνίες αλλά και στη θεμελιώδη φυσική», δήλωσε η Hediyeh M. Dinani, υποψήφια διδάκτορας και κύρια συγγραφέας της μελέτης.
Ο καθηγητής Δημήτριος Χριστοδουλίδης, επικεφαλής του εργαστηρίου και κάτοχος της έδρας Steven and Kathryn Sample Chair in Engineering, τόνισε πως η έρευνα αυτή μετατρέπει μια φαινομενικά άλυτη πρόκληση σε φυσική ευκαιρία.
Αυτό που κάποτε θεωρούνταν ανεξέλεγκτο και χαοτικό, τώρα μπορεί να ιδωθεί ως φυσική διαδικασία – μια διαδικασία που ίσως επανακαθορίσει τον τρόπο με τον οποίο οι μηχανικοί διαχειρίζονται το φως και τα ηλεκτρομαγνητικά σήματα.
Η εργασία του USC ανοίγει έτσι μια νέα εποχή, όπου το φως δεν είναι απλώς φορέας πληροφορίας, αλλά ένας «ζωντανός» παράγοντας που προσαρμόζεται, οργανώνεται και λειτουργεί σχεδόν αυτόνομα. Αν η ηλεκτρονική έφερε την επανάσταση του πυριτίου, η οπτική θερμοδυναμική μπορεί να είναι η αρχή της εποχής του φωτός που «σκέφτεται».
[via]
