نور خودسازمان‌دهنده، محاسبات و ارتباطات را متحول می کند

01

از 04

از شیرهای چندراهه تا روترها و نور

مسیر‌یابی مفهومی است که در بسیاری از شاخه‌های مهندسی مشترک است. در سیستم‌های مکانیکی، یک شیر چندراهه مسیر جریان سیال را کنترل می‌کند. در دنیای الکترونیک، روترها و سوئیچ‌های شبکه، جریان داده‌ها را هدایت می‌کنند تا اطلاعات از ورودی‌های متعدد به مقصد صحیح برسند. اما هدایت نور متفاوت و بسیار پیچیده‌تر است. روترهای نوری سنتی برای کنترل مسیرها به شبکه‌ای پیچیده از سوئیچ‌ها و مدارهای الکترونیکی وابسته‌ هستند که فرایند را کند و دشوار می‌کنند.

پژوهشگران فوتونیک در دانشکده مهندسی USC راهکاری نوین ارائه داده‌اند که آن را شبیه هزارتوی ماربل خودسازمان‌دهنده توصیف می‌کنند. در حالت معمول برای رسیدن ماربل به مقصد، باید موانع را بردارید و آن را گام به گام هدایت کنید؛ اما در طراحی این تیم، هزارتو به گونه‌ای ساخته شده است که هر جایی ماربل رها شود، خود به خود به نقطه درست می‌رسد. نور در این دستگاه نیز مسیر صحیح خود را به شکل طبیعی و بر اساس قوانین ترمودینامیک پیدا می‌کند.

02

از 04

تاثیر بالقوه نور خودسازمان‌دهنده بر صنعت

این نوآوری می‌تواند فراتر از تحقیقات پایه اثرگذار باشد. با نزدیک شدن سیستم‌های محاسباتی و داده‌ای به محدودیت‌های سرعت و بهره‌وری الکترونیکی، شرکت‌های بزرگی مانند انویدیا به ارتباطات نوری به عنوان جایگزینی سریع‌تر و کم‌مصرف‌تر روی آورده‌اند. ارائه روش خودسازمان‌دهنده و طبیعی برای هدایت نور می‌تواند مسیر پیشرفت نسل بعدی فناوری‌های نوری را هموار کند و بر حوزه‌های گسترده‌ای مانند: مخابرات، محاسبات پرقدرت و انتقال امن داده‌ها تاثیر بگذارد و راه را برای دستگاه‌هایی قدرتمندتر، ساده‌تر و کارآمدتر باز کند.

03

از 04

چگونه آشوب را با ترمودینامیک مهار کنیم

سیستم‌های نوری غیرخطی چندحالته اغلب به‌ عنوان محیط‌هایی آشفته و غیرقابل پیش‌بینی قلمداد می‌شوند. تعامل پیچیده میان حالت‌ها، طراحی و شبیه‌سازی، آنها را از دشوارترین مسائل مهندسی ساخته است. اما این آزادی از محدودیت‌های نوری خطی، فرصت خلق پدیده‌های فیزیکی غنی و ناشناخته را فراهم می‌کند. پژوهشگران دانشگاه USC با مشاهده اینکه نور در این سیستم‌ها فرایندی مشابه رسیدن گازها به تعادل حرارتی طی می‌کند، نظریه‌ای جامع به نام ترمودینامیک نوری ارائه کردند. این چارچوب، رفتار نور در شبکه‌های غیرخطی را با معادل‌سازی فرایندهای ترمودینامیکی مانند انبساط، فشردگی و گذار فاز توضیح می‌دهد.

تیم USC در مطالعه‌ای منتشرشده در Nature Photonics نخستین دستگاه مبتنی بر این نظریه را معرفی کرده است. در این سیستم، نور خودسازمان‌دهنده است و مسیر خود را بدون هدایت فعال پیدا می‌کند. اصل کار برگرفته از ترمودینامیک است: همان‌طور که گازی در انبساط ژول-تامسون، فشار و دمای خود را بازتوزیع می‌کند تا به تعادل حرارتی برسد، نور در این دستگاه ابتدا معادل نوری انبساط و سپس تعادل حرارتی را تجربه می‌کند. نتیجه، جریان خودسازمان‌یافته فوتون‌ها به کانال خروجی تعیین‌شده است، بدون اینکه به سوئیچ یا کنترل خارجی نیاز باشد.

04

از 04

گشایش افق‌های نوین در فوتونیک با نور خودسازمان‌دهنده

با تبدیل آشوب به پیش‌بینی‌پذیری، ترمودینامیک نوری درهای نسل جدیدی از دستگاه‌های فوتونیک را می‌گشاید؛ دستگاه‌هایی که از پیچیدگی سیستم‌های غیرخطی بهره می‌برند و آن را محدود نمی‌کنند.

هدیه دینانی، نویسنده ارشد مقاله گفت: «این چارچوب می‌تواند فراتر از مسیر‌یابی، راهکارهای نوینی برای مدیریت نور، پردازش اطلاعات، ارتباطات و کاوش در فیزیک بنیادی ارائه دهد.»

دمیتریوس کریستودولیدس، استاد مهندسی برق و کامپیوتر USC تصریح کرد: «چالشی که زمانی در اپتیک غیرقابل حل به نظر می‌رسید، اکنون به یک فرایند طبیعی فیزیکی تبدیل شده، که ممکن است نحوه کنترل نور و دیگر سیگنال‌های الکترومغناطیسی توسط مهندسان را متحول کند.»