Stadyum şeklindeki bir arenada ışık ışınlarının etkileşimini keşfetmek, bilim adamlarına onun karmaşık davranışları hakkında daha derin bir anlayış sağlıyor.
Işığı kullanmak ve kontrol etmek teknolojik ilerlemede çok önemli bir rol oynuyor; enerji hasadı, hesaplama, iletişim ve biyomedikal algılamayı etkiliyor. Bununla birlikte, gerçek dünya senaryolarında ışığın karmaşık davranışı, etkili kontrol açısından zorluklar ortaya çıkarmaktadır.
Fizikçi Andrea Alù, ışığın kaotik sistemlerdeki davranışı ile isteka topunun fırlatılışındaki küçük değişikliklerin masa üzerinde farklı top yörüngelerine yol açtığı bilardo oyunu arasında bir paralellik kuruyor.
CUNY Fotonik Girişimi kurucu direktörü, CUNY Lisansüstü Merkezi Einstein Fizik Profesörü Alù, “Bilardoda, isteka topunu fırlatma şeklinizdeki küçük değişiklikler, topların masanın etrafında farklı şekillerde zıplamasına yol açacaktır” dedi. İleri Bilim Araştırma Merkezi ve CUNY’de seçkin profesör. “Işık ışınları kaotik bir boşlukta da benzer şekilde çalışır. Benzer ayarlarla bir denemeyi birçok kez çalıştırabileceğiniz ve her seferinde farklı bir yanıt alacağınız için ne olacağını tahmin etmek için modelleme yapmak zorlaşıyor.”
CUNY Graduate Center’daki araştırmacılar tarafından yönetilen bir ekip, ışığın kendisini kullanarak saçılma modellerini uyarlayarak ışığın kaotik davranışını kontrol etmek için yeni bir platform tanımlıyor. Proje, Alù’nun laboratuvarında eski bir doktora sonrası araştırmacı olan ve şu anda Seton Hall Üniversitesi’nde Fizik alanında yardımcı doçent olan ortak ilk yazarlar Xuefeng Jiang ve Alù’nin laboratuvarında yüksek lisans öğrencisi olan Shixiong Yin tarafından yönetildi.
Geleneksel Platformlar ve Kaotik Boşluklar
Işığın davranışlarını incelemek için kullanılan geleneksel platformlar, genellikle ışığın daha öngörülebilir desenlerde sıçradığı ve saçıldığı dairesel veya düzenli şekilli rezonans boşlukları kullanır. Örneğin dairesel bir boşlukta yalnızca tahmin edilebilir ve farklı frekanslar (ışık renkleri) hayatta kalır ve desteklenen her frekans, belirli bir uzaysal model veya mod ile ilişkilendirilir. Jaing, tek bir frekanstaki bir modun dairesel bir boşlukta oynanan fiziği anlamak için yeterli olduğunu, ancak bu yaklaşımın karmaşık platformlarda görülen ışık davranışlarının tüm karmaşıklığını ortaya çıkarmadığını söyledi.
Jaing, “Işığın kaotik desenlerini destekleyen bir boşlukta, boşluğa enjekte edilen herhangi bir tek frekans, binlerce ışık desenini harekete geçirebilir ve bunun geleneksel olarak optik tepkiyi kontrol etme şansını yok ettiği düşünülür” dedi. “Bu kaotik davranışı kontrol etmenin mümkün olduğunu gösterdik.”
Yenilikçi Stadyum Şekilli Boşluk
Bu zorluğun üstesinden gelmek için ekip, üstü açık ve karşıt kenarlarda ışığı boşluğa yönlendiren iki kanala sahip, stadyum şeklinde büyük bir boşluk tasarladı. Gelen ışık duvarlardan saçılıp etrafa sıçrarken, yukarıdaki bir kamera stadyumdan kaçan ışık miktarını ve mekansal desenlerini kaydediyor.
Cihazın yanlarında, iki girişteki ışık yoğunluğunu ve aralarındaki gecikmeyi yönetmek için düğmeler bulunur. Alù’ya göre karşıt kanallar, ışık ışınlarının stadyum boşluğunda birbirine müdahale etmesine neden oluyor ve tutarlı kontrol olarak bilinen bir süreç aracılığıyla bir ışının diğeri tarafından saçılmasının kontrol edilmesini sağlıyor; esasen, ışığı kontrol etmek için ışığı kullanıyor. Araştırmacılar, iki kanala giren ışık ışınlarının göreceli yoğunluğunu ve gecikmesini ayarlayarak, dikkat çekici bir şekilde, ışığın boşluğun dışındaki radyasyon modelini sürekli olarak değiştirdiler.
Yansımasız Saçılma Modları (RSM’ler) ile Kontrolün Kilidini Açma
Bu kontrol, daha önce teorik olarak tahmin edilen ancak optik boşluk sistemlerinde gözlemlenmeyen, “yansımasız saçılma modları” (RSM’ler) adı verilen, ışığın rezonans boşluklarındaki nadir davranışı aracılığıyla sağlandı. Yin’e göre, bu çalışmada gösterilen RSM’leri manipüle etme yeteneği, enerji depolama, hesaplama ve sinyal işleme açısından etkileri olan karmaşık optik sistemlerin verimli bir şekilde uyarılmasına ve kontrol edilmesine olanak tanıyor.
Yin, “Belirli frekanslarda sistemimizin iki bağımsız, örtüşen RSM’yi destekleyebildiğini gördük; bu, tüm ışığın kanal portlarımıza yansımadan stadyum boşluğuna girmesine neden oluyor ve böylece kontrolü mümkün kılıyor” dedi. “Gösterimiz, günlük yaşamımızda kullandığımız optik fiberlerin bant genişliği içindeki optik sinyallerle ilgilidir; dolayısıyla bu bulgu, karmaşık optik platformlarda ışık sinyallerinin daha iyi depolanması, yönlendirilmesi ve kontrolü için yeni bir yol açıyor.”
Araştırmacılar, ışığın davranışındaki daha fazla karmaşıklığı ortaya çıkarmak için daha fazla özgürlük derecesi sunarak gelecekteki çalışmalara ek düğmeler eklemeyi amaçlıyor.
Referans: Xuefeng Jiang, Shixiong Yin, Huanan Li, Jiamin Quan, Heedong Goh, Michele Cotrufo, Julius Kullig, Jan Wiersig ve Andrea Alù, “Yansımasız saçılma modlarıyla kaotik optik mikro boşlukların tutarlı kontrolü”, 2 Kasım 2023