En EPFL, los investigadores desafían una ley fundamental y descubren que se puede almacenar más energía electromagnética en sistemas de guiado de ondas que lo que se pensaba anteriormente.
Una onda de interferencia y transferencia de energía resonante de una fuente a otra fuente o objeto distante, perteneciente al concepto fundamental de resonancias. Crédito: EPFL-Bionanophotonic Systems Laboratory
El descubrimiento tiene implicaciones en las telecomunicaciones. Trabajando en torno a la ley fundamental, concibieron sistemas resonantes y orientadores de ondas capaces de almacenar energía durante un período prolongado manteniendo un ancho de banda amplio.
Su truco era crear sistemas asimétricos de resonantes o de guiado de ondas usando campos magnéticos.
El estudio, que acaba de ser publicado en Science, fue dirigido por Kosmas Tsakmakidis, primero en la Universidad de Ottawa y luego en el laboratorio de sistemas Bionanophotonic de EPFL, dirigido por Hatice Altug, donde el investigador está haciendo ahora la investigación postdoctoral.
Este avance podría tener un impacto importante en muchos campos de la ingeniería y la física. El número de aplicaciones potenciales está cerca de infinito, con telecomunicaciones, sistemas de detección óptica y recolección de energía de banda ancha que representan sólo algunos ejemplos.
Echando a un lado la reciprocidad
Los sistemas de guiado de ondas y resonantes están presentes en la inmensa mayoría de los sistemas ópticos y electrónicos.
El estudio, que acaba de ser publicado en Science, fue dirigido por Kosmas Tsakmakidis, primero en la Universidad de Ottawa y luego en el laboratorio de sistemas Bionanophotonic de EPFL, dirigido por Hatice Altug, donde el investigador está haciendo ahora la investigación postdoctoral.
Este avance podría tener un impacto importante en muchos campos de la ingeniería y la física. El número de aplicaciones potenciales está cerca de infinito, con telecomunicaciones, sistemas de detección óptica y recolección de energía de banda ancha que representan sólo algunos ejemplos.
Echando a un lado la reciprocidad
Los sistemas de guiado de ondas y resonantes están presentes en la inmensa mayoría de los sistemas ópticos y electrónicos.
Su función es almacenar temporalmente energía en forma de ondas electromagnéticas y luego liberarlas. Durante más de 100 años, estos sistemas se vieron retenidos por una limitación que se consideró fundamental: la longitud del tiempo que una onda podía ser almacenada era inversamente proporcional a su ancho de banda.
Esta relación se interpretó para significar que era imposible almacenar grandes cantidades de datos en sistemas resonantes o de guía de onda durante un largo período de tiempo porque aumentar el ancho de banda significaba disminuir el tiempo de almacenamiento y la calidad del almacenamiento.
Esta ley primero fue formulada por K. S. Johnson en 1914, en la compañía eléctrica occidental (el precursor de los laboratorios del teléfono de Bell). Introdujo el concepto del factor Q, según el cual un resonador puede almacenar energía durante mucho tiempo o tener un ancho de banda amplio, pero no ambos al mismo tiempo.
Esta ley primero fue formulada por K. S. Johnson en 1914, en la compañía eléctrica occidental (el precursor de los laboratorios del teléfono de Bell). Introdujo el concepto del factor Q, según el cual un resonador puede almacenar energía durante mucho tiempo o tener un ancho de banda amplio, pero no ambos al mismo tiempo.
Aumentar el tiempo de almacenamiento significaba disminuir el ancho de banda, y viceversa. Un pequeño ancho de banda significa un rango limitado de frecuencias (o "colores") y por lo tanto una cantidad limitada de datos.
Hasta ahora, este concepto nunca había sido cuestionado. Los físicos y los ingenieros siempre habían construido sistemas resonantes — como los que producían láseres, hacían circuitos electrónicos y realizaban diagnósticos médicos — con esta restricción en mente.
Pero esa limitación es ahora una cosa del pasado. Los investigadores han propuesto un sistema híbrido de resonante/ondulación, hecho de un material magneto-óptico que, cuando se aplica un campo magnético, es capaz de detener la onda y almacenarla durante un período prolongado, acumulando así grandes cantidades de energía. Luego, cuando el campo magnético está apagado, el pulso atrapado se libera.
Con tales sistemas asimétricos y no recíprocos, era posible almacenar una onda por un período muy largo de tiempo mientras que también mantenía un ancho de banda grande. El límite convencional de ancho de banda de tiempo fue incluso golpeado por un factor de 1.000.
Hasta ahora, este concepto nunca había sido cuestionado. Los físicos y los ingenieros siempre habían construido sistemas resonantes — como los que producían láseres, hacían circuitos electrónicos y realizaban diagnósticos médicos — con esta restricción en mente.
Pero esa limitación es ahora una cosa del pasado. Los investigadores han propuesto un sistema híbrido de resonante/ondulación, hecho de un material magneto-óptico que, cuando se aplica un campo magnético, es capaz de detener la onda y almacenarla durante un período prolongado, acumulando así grandes cantidades de energía. Luego, cuando el campo magnético está apagado, el pulso atrapado se libera.
Con tales sistemas asimétricos y no recíprocos, era posible almacenar una onda por un período muy largo de tiempo mientras que también mantenía un ancho de banda grande. El límite convencional de ancho de banda de tiempo fue incluso golpeado por un factor de 1.000.
Los científicos demostraron además que, teóricamente, no hay techo superior a este límite en absoluto en estos sistemas asimétricos (no recíprocos).
"Fue un momento de revelación cuando descubrimos que estas nuevas estructuras no contaban con ninguna restricción de ancho de banda de tiempo." "Estos sistemas son a diferencia de lo que todos hemos estado acostumbrados durante décadas, y posiblemente cientos de años", dice Tsakmakidis, el autor principal del estudio. "Su rendimiento superior de capacidad de almacenamiento de la onda podría ser realmente un factor habilitador para una serie de aplicaciones emocionantes en diversos campos contemporáneos y más tradicionales de la investigación." agrega Hatice Altug.
Medicina, medio ambiente y telecomunicaciones
Una posible aplicación está en el diseño de búferes ópticos extremadamente rápidos y eficientes en redes de telecomunicaciones. El papel de los buffers es almacenar temporalmente los datos que llegan en forma de luz a través de fibras ópticas.
Al ralentizar la masa de datos, es más fácil de procesar. Hasta ahora, la calidad del almacenamiento de información había sido limitada.
Con esta nueva técnica, debe ser posible mejorar el proceso y almacenar grandes anchos de banda de datos durante tiempos prolongados. Otras aplicaciones potenciales incluyen la espectroscopia en chip, la recolección de luz de banda ancha y el almacenamiento de energía, y el camuflaje óptico de banda ancha ("invisible invisibilidad").
Con esta nueva técnica, debe ser posible mejorar el proceso y almacenar grandes anchos de banda de datos durante tiempos prolongados. Otras aplicaciones potenciales incluyen la espectroscopia en chip, la recolección de luz de banda ancha y el almacenamiento de energía, y el camuflaje óptico de banda ancha ("invisible invisibilidad").
"El avance informado es completamente fundamental — estamos dando a los investigadores una nueva herramienta." Y el número de aplicaciones está limitado sólo por la imaginación de uno, "resume Tsakmakidis."