Ljudi doživljavaju prostor-vrijeme u četiri poznate dimenzije: tri prostorne (dubina, širina i duljina) plus vrijeme. Dok većina modela svemira pretpostavlja da sva materija postoji unutar ovih parametara, mnoge teorije nagađaju da bi mogle postojati razne vrste viših dimenzija, skrivene izvan našeg razumijevanja.
Iako se nismo uspjeli osloboditi našeg četverodimenzionalnog iskustva, znanstvenici postaju sve bolji u simuliranju dodatnih dimenzija kroz stvaranje takozvanih "sintetičkih dimenzija".
Ti eksperimentalni koncepti pružaju način oponašanja koncepata viših dimenzija, koji se istražuju u nekim dalekim modelima prirode koristeći nižedimenzionalne materijale, koji postoje u stvarnom svijetu.
U prvom eksperimentu te vrste, znanstvenici predvođeni Armandasom Balčytisom, znanstvenim suradnikom na tehnološkom institutu Royal Melbourne (Royal Melbourne Institute of Technology), stvorili su sintetičku dimenziju, maleni fotonski uređaj poznat kao silikonski prstenasti rezonator.
Osim pokazivanja nove metode proizvodnje sintetičkih dimenzija, rezultati istraživanja će omogućiti daljnje eksperimente koji bi mogli modelirati fenomene izvan tri dimenzije, piše u studiji objavljenoj u znanstvenom časopisu Science Advances.
"Matematičarima je lako..."
Matematičarima je lako jer mogu napraviti pretpostavke ili konstruirati modele (bilo manje ili više povezane s objektima u stvarnom svijetu) i proširiti ih na više dimenzije koliko im mašta dopušta, kaže Balčytis.
To ponekad može imati korisne ili barem intrigantne implikacije koje znansatvenici mogu provjeriti. Međutim, eksperimentalna znanost mnogo je ograničenija, budući da materijali koje imamo ili uređaji koje možemo stvoriti djeluju unutar granica našeg trodimenzionalnog prostora. Nnaš tim radi s integriranim fotonskim mikročipovima, raspoređenim na ravnoj površini, tako da imamo samo dvije dimenzije od samog početka, pojašnjava.
Kako bi stvorili sintetičku dimenziju, znanstvenici eksperimentalno modeliraju dodatnu ravninu koristeći neku drugu varijablu, poput frekvencije, kaže Balčytis.
Ključ za sintetičke dimenzije je da je moguće koristiti neku drugu varijablu sustava koja se općenito ne smatra prostornom (frekvencija svjetlosnih valova, polarizacija, kašnjenje između impulsa itd.) kao da predstavlja dodatnu koordinatu, pojašnjava.
Na ovaj način možete imati jedan uređaj, kao što je prsten u našoj studiji, umjesto linearnog lanca prstenova. Proširenjem, lanac uređaja sintetičkih dimenzija može djelovati kao 2D niz i tako dalje. Kombiniranjem više različitih sintetičkih varijabli dimenzija također je moguće oponašati modele izvan 3D, naglašava australski znanstvenik.
Fokus mnogih polja fizike
Balčytis napominje da su sintetičke dimenzije postale intenzivan fokus u mnogim poljima fizike, posebno u pogledu topologije, grane geometrije koja opisuje objekte u kontinuiranim deformacijama, kao što je upletena Möbiusova traka.
Kao primjer, sintetičke dimenzije mogu se koristiti za istraživanje ponašanja svjetlosti u egzotičnim topološkim kontekstima, što može pomoći u odgovoru na temeljna pitanja u optici i fotonici, a istovremeno otvara praktične inovacije u telekomunikacijama, računarstvu te drugim primijenjenim poljima.
Postoje mnogi predviđeni učinci koji se mogu ili istražiti kako bi se zadovoljila znatiželja ili iskoristiti za stvaranje inovativnih uređaja na čipu, kaže Balčytis.
Dakle, iako ne istražuju baš prirodu stvarnosti na kozmičkim razmjerima, ove studije mogu pomoći odgovoriti na temeljna pitanja o prirodi kroz rastuću ulogu koju topologija ima u njezinom objašnjavanju, pojašnjava.
Prstenasti rezonatori su uređaji koji dijele svjetlost na razne komplicirane uzorke i oblike u znanstvene svrhe, često u optici ili fotonici. U novom eksperimentu koji je vodio Balčytis, prstenasti rezonator podijelio je svjetlost u češljasti uzorak koji je omogućio istraživačima da rasporede fotone duž jednodimenzionalne rešetke i kontroliraju kretanje tih fotona.
Ubrizgali smo fotone u sustav u jednom načinu rada i učinili ih da se rašire duž frekvencijske ljestvice kao da su hrpa kuglica koje se prelijevaju iz jednog spremnika u one najbliže susjedne, što je repliciralo očekivano ponašanje u stvarnom prostoru koristeći sintetičku dimenziju koji se odnose na fotone, koji su prilično različiti od čestica tipične materije s kojima se svakodnevno susrećemo, objasnio je Balčytis.
Također smo bili u mogućnosti da kroz manipulaciju načina na koji je prsten moduliran, provedemo kontrolu nad kretanjem fotona duž ove sintetičke rešetke, tjerajući ih da reagiraju kao da su pod utjecajem sile električnog ili magnetskog polja, dodao je.
Minijaturan, robustan sustav
Središnja inovacija pristupa tima bila je minijaturizacija: dok su prethodni usporedivi eksperimenti koristili platforme na bazi vlakana koje su se protezale oko 10 metara u opsegu, prstenasti rezonator nove studije veličine je svega nekoliko milimetara.
Ovo sa sobom donosi ne samo prednost u praktičnosti, već i robusnost, budući da su velike postavke inherentno daleko podložnije fluktuacijama od mikročipova u kojima je sve upakirano zajedno. Ovo će pomoći da se uvelike poveća složenost modela koji se može istražiti. Jednostavnije rečeno, može se spojiti puno više prstenova i sinkronizirati ih na čipu, kaže Balčytis.
To što je uređaj demonstriran silicijskom fotonikom također je važno, jer je ovo najzrelija integrirana platforma, a istraživači imaju pristup brojnim ljevaoničkim uslugama koje su već opremljene i spremne za izradu sofisticiranih uređaja. Nadamo se da će naš rad potaknuti istraživanja složenijih sintetičkih dimenzija, poručuje australski znanstvenik.
Dok se to ne dogodi, njegov tim već gleda naprijed prema daljnjoj optimizaciji njihovog eksperimenta, uključujući rad s dvodimenzionalnim materijalima, za razliku od jednodimenzionalne rešetke iz ove studije. Slaganje prstenastih rezonatora, na primjer, moglo bi stvoriti složenije simulacije dimenzija izvan tri prostorne dimenzije, što bi moglo omogućiti napredne nove fotonske tehnologije kao i šire razumijevanje temeljne fizike koja upravlja našom stvarnošću.
Za nas je sada sljedeća faza poboljšanje uređaja i stvaranje njihovih složenijih aranžmana za istraživanje šireg spektra učinaka. Želimo se gurnuti u dvije dimenzije i dalje. Pronalaženje načina na koji se višedimenzionalni fenomeni mogu koristiti za pokretanje novih funkcionalnosti u kvantnoj fotonici, optičkoj izolaciji na čipu ili optičkoj obradi informacija intrigantan je izazov za optičke znanstvenike i inženjere, kaže Balčytis.
U idealnom slučaju, željeli bismo uključiti sve više i više funkcionalnosti u naše malene integrirane fotonske čipove, tako da možemo skupiti skupe, glomazne dijelove opreme i minijaturizirati ih na sićušne, robusnije, moćnije, integrirane fotonske čipove, rekao je na kraju.
Izvor: The Vice
