Инженеры создали первое устройство на основе «оптической термодинамики»

Команда Школы инженерии им. Витерби Университета Южной Калифорнии демонстрирует первое оптическое устройство на основе «оптической термодинамики». Фото: Yunxuan Wei at USC

Исследователи из Университета Южной Калифорнии совершили прорыв в фотонике, создав первое оптическое устройство, работающее на принципах «оптической термодинамики». Результаты работы, опубликованные в журнале Nature Photonics, открывают новый способ управления светом в нелинейных системах без использования переключателей и внешних контроллеров.

Традиционные оптические маршрутизаторы требуют сложных сетей переключателей и систем электрического управления для изменения пути света. Новая разработка работает по иному принципу. Исследователи сравнивают её с лабиринтом, который самоорганизуется: куда бы вы ни бросили шарик, он автоматически покатится к нужному выходу. Аналогично, свет в этой системе самостоятельно находит правильный путь, следуя законам термодинамики.

Потенциальное влияние этой технологии выходит за рамки академических исследований. По мере того как современные вычисления и передача данных достигают пределов возможностей традиционной электроники, такие компании, как NVIDIA, активно изучают оптические технологии как более быструю и энергоэффективную альтернативу. Новая концепция самоорганизующейся маршрутизации световых сигналов может ускорить прогресс в этой области и найти применение в телекоммуникациях, высокопроизводительных вычислениях и защищённой передаче информации.

Как это работает? Сложные нелинейные оптические системы, которые раньше считались хаотичными и трудноуправляемыми, в новой концепции рассматриваются через призму термодинамики. Свет в них ведёт себя подобно газу, стремящемуся к тепловому равновесию. Исследователи разработали теоретическую основу «оптической термодинамики», описывающую, как свет в нелинейных средах может подвергаться процессам, аналогичным расширению, сжатию и даже фазовым переходам.

«За пределами маршрутизации эта концепция может также позволить создать совершенно новые подходы к управлению светом, что повлияет на обработку информации, коммуникации и изучение фундаментальной физики», — сказала ведущий автор исследования Хедие М. Динани.

«То, что раньше считалось неразрешимой проблемой в оптике, было переосмыслено как естественный физический процесс — тот, который может переопределить то, как инженеры подходят к управлению светом», — добавил профессор Деметриос Христодулидес.

Созданное устройство не направляет сигнал активно, а сконструировано так, что свет маршрутизирует себя сам, проходя двухэтапный процесс, аналогичный расширению Джоуля-Томсона в термодинамике. В результате фотоны самоорганизуются и направляются в заданный выходной канал без необходимости во внешних переключателях.