빛의 흐름 공학

그림에 표시된 새로운 구조는 전달되는 빛의 모양을 변경하는 한 가지 작업을 수행하도록 설계되었습니다. 최근 논문에서 Mercedeh Khajavikhan 교수와 그녀의 팀은 우리 삶의 여러 측면에 심오한 영향을 미칠 수 있는 새로운 이론적 모델을 사용하여 이것이 어떻게 수행될 수 있는지 보여주었습니다.

이미징 및 감지를 위해 레이저로 빛을 생성하고, 고급 통신을 위해 광섬유 케이블을 통해 실행하고, 칩에 내장하여 이전 세대가 꿈꿀 수 없었던 수준으로 컴퓨팅 기능을 향상시킬 수 있습니다. 이러한 각 발전은 기계, 우주, 생물의학 또는 컴퓨터 엔지니어가 만든 새로운 장치로 끝났을지 모르지만 광자공학에서 시작되었습니다.

빛 입자는 파동으로 움직이는 경향이 있으며 포토닉스는 이러한 파동을 활용하는 과학입니다. 얽힌 광자를 이용한 양자 통신의 최첨단 실험부터 스마트폰 화면, LiDAR 및 광섬유 인터넷과 같은 일상 기술에 이르기까지 광자는 대부분의 사람들이 인식하는 것보다 더 우리 삶을 변화시켰습니다. 그리고 이 분야가 100년 넘게 존재했음에도 불구하고 연구자들은 여전히 ​​새로운 영역을 개척하고 있습니다.

이러한 경계 중 하나를 토폴로지 포토닉스라고 합니다. 노벨상 수상자이자 전 USC 교수인 Duncan Haldane이 부분적으로 개척한 분야인 위상 물리학과 전통적인 포토닉스를 결합합니다. 위상 물리학(모양과 공간에서의 배열에 대한 수학적 연구)은 전자공학의 많은 흥미로운 특성을 설명하는 데 사용되었으며 여러 새로운 재료와 장치의 개발로 이어졌습니다. 이제 위상 물리학과 광자학을 결합하여 연구원들은 훨씬 더 창의적이고 이전에 볼 수 없었던 빛 구조를 설계할 수 있습니다.

그렇다면 이 새로운 구조의 특별한 점은 무엇이며 어떻게 구축했을까요? 팀은 먼저 토폴로지 물리학을 사용하여 탐색하려는 디자인을 제시합니다. 그런 다음 시뮬레이션을 실행하여 구조의 요소가 서로 어떻게 상호 작용해야 하는지 이해합니다. 다음으로, 그들은 전체 구조를 구성하는 작은 빌딩 블록인 개별 세포를 설계합니다. 셀 설계가 완료되면 구조를 형성하기 위해 함께 배열되는 방법을 결정해야 합니다. 마지막으로, 설계는 크기가 0.25제곱밀리미터 미만인 물리적 제품이 구축되는 나노 제조 클린룸으로 이동합니다. 우리에게 남은 것은 빛이 통과할 때 새로운 형태로 빛을 형성하는 완전히 독특한 구조입니다. 이 새로운 모양은 차례로 더 나은 레이저 순도와 더 높은 효율성과 같은 새로운 특성을 갖습니다.

인상적인 만큼 Khajavikhan과 그녀의 팀은 더 나아가기로 결정했습니다. 그리고 이것은 물리학과 포토닉스의 결합이 실제로 작용하는 곳입니다. 토폴로지 재료는 놀라운 새로운 전송 특성을 나타낼 수 있지만 "켜짐"과 "꺼짐" 상태 사이를 쉽게 전환할 수 없습니다. 최첨단 경주용 자동차와 같은 이러한 가벼운 구조를 생각해 보십시오. 그들은 경쟁자보다 더 빨리 움직이고 더 세게 돌며 더 많은 일을 할 수 있습니다. 하지만 시동을 걸고 차의 시동을 끄지 못한다면 그다지 실용적인 기계가 아닙니다.

이것이 바로 USC 팀이 할 수 있었던 일입니다. 바로 이 새로운 조명을 제어하는 ​​것입니다. 그들은 구조의 위상 특성에 켜고 끌 수 있는 능력을 부여하기 위해 "광학 펌핑"이라고 하는 광자 시스템의 기술을 도입했습니다. 빛의 모양뿐만 아니라 빛이 시스템을 통해 흐르는 시기와 방법을 제어하는 ​​능력이 가장 중요합니다.

연구원들에게 이 새로운 구조에 대한 작업은 시작에 불과합니다. Khajavikhan은 "우리의 발견은 토폴로지 시스템을 연구할 수 있는 완전히 새로운 길을 열었으며 우리는 홀로그램 스크린 및 고출력 레이저와 같은 전체 산업의 얼굴을 바꿀 수 있는 더 많은 디자인을 엔지니어링할 계획입니다."라고 말했습니다.