I
Στην Ομοσπονδιακή Πολυτεχνική Σχολή της Λωζάννης, οι ερευνητές έλυσαν ένα πρόβλημα περισσότερων από 100 ετών (χρονολογούμενο από το 1914), το πώς να αποθηκευτεί (κυματική) ενέργεια για μεγάλα χρονικά διαστήματα και για μεγάλα εύρη ζώνης συχνοτήτων (δηλαδή για πολλά ‘bits’ πληροφορίας).
Ανακάλυψαν ότι περισσότερη ηλεκτρομαγνητική ενέργεια μπορεί να αποθηκευτεί σε συστήματα καθοδήγησης κύματος από ό, τι είχε προηγουμένως θεωρηθεί. Η ανακάλυψη έχει επιπτώσεις στις τηλεπικοινωνίες και σε πολλούς τομείς της Μηχανικής και της Φυσικής. Η ομάδα εργάστηκε γύρω από τον θεμελιώδη νόμο και συνειδητοποίησαν συστήματα συντονισμού και καθοδήγησης κυμάτων ικανά να αποθηκεύουν ενέργεια για παρατεταμένο χρονικό διάστημα διατηρώντας παράλληλα ευρυζωνικότητα. Το κόλπο τους ήταν να δημιουργήσουν ασύμμετρα συντονιστικά ή κυματοδηγικά συστήματα που χρησιμοποιούν μαγνητικά πεδία.
Στην μελέτη, η οποία δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Science, επικεφαλής ήταν ο Κοσμάς Τσακμακίδης, ο οποίος πρώτα εργάστηκε στο Πανεπιστήμιο της Οττάβας και στη συνέχεια στο Εργαστήριο Βιονανοφωτονικών Συστημάτων του EPFL που διοργάνωσε ο Hatice Altug, όπου ο ερευνητής πραγματοποιεί μεταδιδακτορικές έρευνες.
Αυτή η επαναστατική ανακάλυψη θα μπορούσε να έχει σημαντικό αντίκτυπο σε πολλούς τομείς της μηχανικής και της φυσικής. Ο αριθμός των πιθανών εφαρμογών είναι σχεδόν απεριόριστος, με τις τηλεπικοινωνίες, τα συστήματα οπτικής ανίχνευσης και τη συγκομιδή ενέργειας ευρείας ζώνης να αντιπροσωπεύουν μόνο μερικά παραδείγματα.
Τα συστήματα συντονισμού και καθοδήγησης κύματος είναι παρόντα στη μεγάλη πλειοψηφία των οπτικών και ηλεκτρονικών συστημάτων. Ο ρόλος τους είναι να αποθηκεύουν προσωρινά ενέργεια με τη μορφή ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων και στη συνέχεια να τα απελευθερώνουν. Για περισσότερα από 100 χρόνια, τα συστήματα αυτά συγκρατήθηκαν από έναν περιορισμό που θεωρήθηκε θεμελιώδης: το χρονικό διάστημα που μπορούσε να αποθηκευτεί ένα κύμα ήταν αντιστρόφως ανάλογο του εύρους ζώνης του. Αυτή η σχέση ερμηνεύθηκε ότι σημαίνει ότι ήταν αδύνατο να αποθηκευτούν μεγάλα ποσά δεδομένων σε συστήματα συντονισμού ή καθοδήγησης κύματος για μεγάλο χρονικό διάστημα, επειδή η αύξηση του εύρους ζώνης σήμαινε μείωση του χρόνου αποθήκευσης και της ποιότητας αποθήκευσης.
Ο νόμος αυτός διατυπώθηκε για πρώτη φορά από τον Κ. Σ. Τζόνσον το 1914, στην εταιρεία Western Electric Company (πρόδρομος των Bell Telephone Laboratories). Εισήγαγε την έννοια του συντελεστή Q, σύμφωνα με την οποία ένας συντονιστής μπορεί είτε να αποθηκεύει ενέργεια για μεγάλο χρονικό διάστημα είτε να έχει ένα ευρύ εύρος ζώνης, αλλά όχι και τα δύο ταυτόχρονα. Η αύξηση του χρόνου αποθήκευσης σήμαινε μείωση του εύρους ζώνης και αντίστροφα. Ένα μικρό εύρος ζώνης σημαίνει ένα περιορισμένο εύρος συχνοτήτων (ή “χρώματα”) και ως εκ τούτου ένα περιορισμένο ποσό δεδομένων. Μέχρι τώρα, η ιδέα αυτή δεν αμφισβητήθηκε ποτέ. Οι φυσικοί και οι μηχανικοί είχαν κατασκευάσει πάντα συντονισμένα συστήματα – όπως αυτά που παράγουν λέιζερ, κάνουν ηλεκτρονικά κυκλώματα και διεξάγουν ιατρικές διαγνώσεις με αυτό τον περιορισμό στο μυαλό.
Αλλά αυτός ο περιορισμός είναι τώρα ένα πράγμα του παρελθόντος. Οι ερευνητές κατέληξαν σε ένα υβριδικό σύστημα συντονισμού / καθοδήγησης κυμάτων κατασκευασμένο από ένα μαγνητο-οπτικό υλικό το οποίο, όταν εφαρμόζεται ένα μαγνητικό πεδίο, είναι σε θέση να σταματήσει το κύμα και να το αποθηκεύσει για παρατεταμένο χρονικό διάστημα, συσσωρεύοντας έτσι μεγάλες ποσότητες ενέργειας. Στη συνέχεια, όταν το μαγνητικό πεδίο είναι απενεργοποιημένο, ο παγιδευμένος παλμός απελευθερώνεται.
Με τέτοια ασύμμετρα και μη αμοιβαία συστήματα, ήταν δυνατό να αποθηκευτεί ένα κύμα για πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα διατηρώντας παράλληλα ένα μεγάλο εύρος ζώνης. Το συμβατικό όριο εύρους ζώνης χρόνου χτυπήθηκε ακόμη και με συντελεστή 1.000. Οι επιστήμονες κατέδειξαν περαιτέρω ότι, θεωρητικά, δεν υπάρχει ανώτατο όριο στο όριο αυτό σε αυτά τα ασύμμετρα (μη αμοιβαία) συστήματα.
“Ήταν μια στιγμή αποκάλυψης, όταν ανακαλύψαμε ότι αυτές οι νέες δομές δεν περιείχαν κανένα περιορισμό χρόνου-εύρους ζώνης. Αυτά τα συστήματα είναι αντίθετα με όσα έχουμε συνηθίσει εδώ και δεκαετίες και πιθανόν εκατοντάδες χρόνια”, λέει ο Τσακμακίδης.
Μια πιθανή εφαρμογή είναι στο σχεδιασμό εξαιρετικά γρήγορων και αποδοτικών all-optical buffer σε τηλεπικοινωνιακά δίκτυα. Ο ρόλος των προσωρινών καταχωρητών είναι να αποθηκεύουν προσωρινά δεδομένα που φθάνουν υπό μορφή φωτός μέσω οπτικών ινών. Με την επιβράδυνση της μάζας των δεδομένων, είναι ευκολότερη η επεξεργασία τους. Με αυτή τη νέα τεχνική, θα πρέπει να είναι δυνατή η βελτίωση της διαδικασίας και η αποθήκευση μεγάλων εύρους δεδομένων για παρατεταμένους χρόνους. Άλλες πιθανές εφαρμογές περιλαμβάνουν φασματοσκοπία on-chip, ευρυζωνική συγκομιδή και αποθήκευση ενέργειας, και ευρυζωνικό οπτικό καμουφλάρισμα (“cloaking invisibility”).
“Η ανακάλυψη αυτή είναι απολύτως θεμελιώδης – δίνουμε στους ερευνητές ένα νέο εργαλείο και ο αριθμός των εφαρμογών περιορίζεται μόνο από τη φαντασία” τονίζει ο Τσακμακίδης.
Ο Κοσμάς Τσακμακίδης κατάγεται από την Κομοτηνή. Αποφοίτησε ως ηλεκτρολόγος μηχανικός και μηχανικός Η/Υ από το Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης. Ακολούθησε τις σπουδές του με μεταπτυχιακό έρευνας και διδακτορικό από το Πανεπιστήμιο Surrey της Βρετανίας. Μάλιστα η διδακτορική του διατριβή απέσπασε το πρώτο βραβείο του Διεθνούς Ινστιτούτου Φυσικών. Το διάστημα 2008-2013 ήταν υπότροφος της Βρετανικής Ακαδημίας Μηχανικής (RAE) στο Surrey και στο Imperial College του Λονδίνου (2011-2013) και συνέχισε στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας U. C. Berkeley. Τώρα συνεργάζεται με την Ομοσπονδιακή Πολυτεχνική Σχολή της Λωζάννης.
[:]
