Twisting Light: Mengungkap Jalur Heliks menuju Transmisi Data Ultracepat
Sakelar serba optik baru menggunakan cahaya terpolarisasi sirkular dan semikonduktor inovatif untuk memproses data lebih cepat dan efisien dalam sistem serat optik.
Teknologi ini memfasilitasi penghematan energi yang signifikan dan memperkenalkan metode untuk mengontrol sifat kuantum dalam material, sehingga menjanjikan kemajuan besar dalam komputasi optik dan ilmu pengetahuan dasar.
Internet berkecepatan tinggi modern mengandalkan cahaya untuk mengirimkan data dalam jumlah besar dengan cepat dan andal melalui kabel serat optik. Namun, ketika data perlu diproses, sinyal cahaya menghadapi hambatan. Mereka terlebih dahulu harus diubah menjadi sinyal listrik untuk diproses sebelum dapat terus dikirim.
Sakelar serba optik menawarkan solusi. Ia menggunakan cahaya untuk mengontrol sinyal cahaya lainnya tanpa memerlukan konversi listrik, sehingga menghemat waktu dan energi dalam sistem komunikasi serat optik.
“Hasil kami membuka pintu bagi banyak kemungkinan baru.”
Hui Deng
Terobosan dalam Teknologi Saklar Optik
Sebuah tim peneliti yang dipimpin oleh Universitas Michigan telah mendemonstrasikan saklar optik ultracepat menggunakan cahaya terpolarisasi sirkular yang berdenyut, yang berputar seperti heliks, melalui rongga optik yang dilapisi dengan semikonduktor ultratipis. Studi mereka baru-baru ini dipublikasikan di Komunikasi Alam.
Perangkat ini dapat beroperasi sebagai saklar optik standar, di mana menyalakan atau mematikan laser kontrol akan mengalihkan pancaran sinyal dengan polarisasi yang sama. Ini juga dapat berfungsi sebagai gerbang logika yang dikenal sebagai saklar Exclusive OR (XOR), yang menghasilkan sinyal output ketika satu input cahaya berputar searah jarum jam dan yang lainnya berlawanan arah jarum jam, namun tidak ketika keduanya berputar ke arah yang sama.
“Karena saklar adalah blok bangunan paling dasar dari setiap unit pemrosesan informasi, saklar serba optik adalah langkah pertama menuju komputasi serba optik atau membangun jaringan saraf optik,” kata Lingxiao Zhou, mahasiswa doktoral fisika di UM dan penulis utama dari penelitian ini.
“Konsumsi daya yang sangat rendah adalah kunci keberhasilan komputasi optik. Pekerjaan yang dilakukan oleh tim kami mengatasi masalah ini.”
Stephen Forrest
Kerugian komputasi optik yang rendah membuatnya lebih diminati daripada komputasi elektronik.
Kemajuan dalam Komputasi Optik
“Konsumsi daya yang sangat rendah adalah kunci keberhasilan komputasi optik. Pekerjaan yang dilakukan oleh tim kami hanya mengatasi masalah ini, dengan menggunakan material dua dimensi yang tidak biasa untuk mengalihkan data dengan energi per bit yang sangat rendah,” kata Stephen Forrest, Profesor Teknik Elektro Universitas Terhormat Peter A. Franken di UM dan penulis kontributor makalah ini. belajar.
Untuk mencapai hal ini, para peneliti menggerakkan laser heliks secara berkala melalui rongga optik—seperangkat cermin yang memerangkap dan memantulkan cahaya bolak-balik beberapa kali—meningkatkan kekuatan laser sebesar dua kali lipat.
Ketika lapisan semikonduktor tungsten diselenida (WSe2) tertanam di dalam rongga optik, cahaya yang kuat dan berosilasi memperbesar pita elektronik dari elektron yang tersedia di semikonduktor—efek optik nonlinier yang dikenal sebagai efek optik Stark. Ini berarti bahwa ketika sebuah elektron melompat ke orbital yang lebih tinggi, ia menyerap lebih banyak energi, dan memancarkan lebih banyak energi ketika ia melompat ke bawah, yang dikenal sebagai pergeseran biru. Hal ini pada gilirannya mengubah pengaruh cahaya sinyal, jumlah energi yang dikirim atau dipantulkan per satuan luas.
Dampak pada Fisika dan Teknologi Kuantum
Selain memodulasi cahaya sinyal, efek optik Stark menghasilkan medan magnet semu, yang mempengaruhi pita elektronik serupa dengan medan magnet. Kekuatan efektifnya adalah 210 Tesla, jauh lebih kuat dari magnet terkuat Bumi yang berkekuatan 100 Tesla. Gaya yang sangat kuat hanya dirasakan oleh elektron-elektron yang putarannya sejajar dengan helisitas cahaya, untuk sementara waktu membelah pita-pita elektronik dengan orientasi putaran yang berbeda, dan mengarahkan elektron-elektron dalam pita-pita sejajar tersebut ke dalam orientasi yang sama.
Tim dapat mengubah urutan pita elektronik dari putaran yang berbeda dengan mengubah arah putaran cahaya.
Arah putaran elektron yang seragam dan singkat pada pita yang berbeda juga merusak sesuatu yang disebut simetri pembalikan waktu. Pada dasarnya, simetri pembalikan waktu berarti bahwa fisika yang mendasari suatu proses adalah sama maju dan mundur, yang menyiratkan kekekalan energi.
Meskipun kita biasanya tidak dapat mengamati hal ini di dunia makroskopis karena cara energi menghilang melalui gaya seperti gesekan, jika Anda dapat merekam video elektron yang berputar, hal ini akan mematuhi hukum fisika baik Anda memutarnya maju atau mundur—elektron berputar ke satu arah akan berubah menjadi elektron yang berputar berlawanan dengan energi yang sama. Namun dalam medan magnet semu, simetri pembalikan waktu rusak karena jika diputar ulang, elektron yang berputar ke arah berlawanan memiliki energi yang berbeda—dan energi putaran yang berbeda dapat dikontrol melalui laser.
“Hasil kami membuka pintu bagi banyak kemungkinan baru, baik dalam ilmu pengetahuan dasar di mana pengendalian simetri pembalikan waktu merupakan persyaratan untuk menciptakan keadaan materi yang eksotik, dan untuk teknologi, yang memungkinkan pemanfaatan medan magnet sebesar itu,” kata Hui Deng, seorang peneliti. profesor fisika dan teknik elektro dan komputer di UM dan penulis koresponden studi tersebut.
Referensi: “Rekayasa Floquet Rongga” oleh Lingxiao Zhou, Bin Liu, Yuze Liu, Yang Lu, Qiuyang Li, Xin Xie, Nathanial Lydick, Ruofan Hao, Chenxi Liu, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Yu-Hsun Chou, Stephen R. Forrest dan Hui Deng, 6 September 2024, Komunikasi Alam.
DOI: 10.1038/s41467-024-52014-0
Pekerjaan ini didanai oleh Kantor Penelitian Angkatan Darat (W911NF-17-1-0312); Kantor Penelitian Ilmiah Angkatan Udara (FA2386-21-1-4066), National Science Foundation (DMR 2132470); Kantor Penelitian Angkatan Laut (N00014-21-1-2770); dan Yayasan Gordon dan Betty Moore (GBMF10694).
Forrest juga merupakan Profesor Teknik Paul G. Goebel dan profesor teknik elektro dan ilmu komputer, ilmu dan teknik material, serta fisika.
