מחקר בממדים סינתטיים מחולל מהפכה בתחום הפוטוניקה הטופולוגית בכך שהוא מאפשר שליטה מתקדמת ומניפולציה של אור במערכות פוטוניות, תוך שימוש בחידושים כמו רשתות עצביות מלאכותיות ומערכי גלים כדי לחקור פיזיקה חדשה ולייעל יישומי מכשירים.
חוקרים פיתחו מערכים מתכווננים של מובילי גל המציגים ממדים מודאליים סינתטיים, ומשפרים את ניהול האור בתוך מערכות פוטוניות. לחידוש זה יש יישומים פוטנציאליים החל מלייזר מצב ועד אופטיקה קוונטית והעברת נתונים.
בתחום הפיזיקה, ממדים סינתטיים (SDs) הופיעו כחזית מחקר מתקדמת, המספקים אמצעי לחקור תופעות במרחבים בעלי ממדים גבוהים מעבר לגיאומטריית התלת-ממד המקובלת שלנו. מושג זה זכה לתשומת לב רבה, במיוחד בפוטוניקה טופולוגית, בשל הפוטנציאל שלו לחשוף פיזיקה מורכבת שלא ניתן לגשת אליה בממדים מסורתיים.
חוקרים הציעו מסגרות תיאורטיות שונות ללימוד ויישום SDs, במטרה לרתום תופעות כמו שדות מדידה סינתטיים, פיזיקת הול קוונטית, סוליטונים בדידים ומעברי פאזה טופולוגיים בארבעה מימדים ומעלה. הצעות אלו יכולות להוביל להבנות בסיסיות חדשות בפיזיקה.
אחד האתגרים העיקריים בחלל תלת מימד קונבנציונלי הוא מימוש ניסיוני של מבני סריג מורכבים עם צימודים ספציפיים. SDs מציעים פתרון, על ידי מתן פלטפורמה נגישה יותר ליצירת רשתות מורכבות של מהודים עם צימודים אנזוטרופיים, ארוכי טווח או מתפזרים.
למידה עמוקה מעצימה מניפולציה של אור במימד סינתטי. קרדיט: Xia, Lei, et al., doi 10.1117/1.AP.6.2.026005.
יכולת זו כבר הובילה להדגמות פורצות דרך של פיתול טופולוגי לא הרמיטיאני, סימטריית זמן זוגיות ותופעות אחרות. ניתן להשתמש במגוון פרמטרים או דרגות חופש בתוך מערכת, כגון מצבי תדר, מצבים מרחביים ומומנטים זוויתיים מסלוליים, לבניית SDs, המבטיחים ליישומים בתחומים מגוונים, החל מתקשורת אופטית ועד לייזרים מבודדים טופולוגיים.
מטרה מרכזית בתחום זה היא בניית רשת "אוטופית" של תהודה שבה ניתן לחבר כל זוג מצבים באופן מבוקר. השגת מטרה זו מחייבת מניפולציה מדויקת של מצבים בתוך מערכות פוטוניות, המציעות דרכים לשיפור העברת הנתונים, יעילות קצירת האנרגיה וזוהר מערך הלייזר.
שימוש ברשתות עצביות מלאכותיות לעיצוב מוליך גל
כעת, כפי שדווח ב פוטוניקה מתקדמת, צוות בינלאומי של חוקרים יצר מערכים הניתנים להתאמה אישית של מובילי גל כדי לבסס ממדים מודאליים סינתטיים. התקדמות זו מאפשרת שליטה יעילה באור במערכת פוטונית, ללא צורך בתכונות נוספות מסובכות כמו אי-לינאריות או אי-הרמיטיות. פרופסור Zhigang Chen מאוניברסיטת Nankai מציין, "היכולת להתאים מצבי אור שונים בתוך המערכת מקרבת אותנו צעד נוסף להשגת רשתות 'אוטופיות', שבהן כל הפרמטרים של הניסוי ניתנים לשליטה מושלמת".
כליאת מצב ושינוי מצב טופולוגי בממד סינתטי שתוכנן על ידי ANNs. (א) איור של מערכי המצב עם קצוות חיצוניים של ערכים עצמיים. (a1) שרטוט של מערך הערכים העצמיים והמצבים העצמיים המתאימים. סידור מערך הצימוד במרחב האמיתי מחושב על ידי ANNs. (א2) דינמיקת התפתחות המצב ב-SD; הנקודה הכתומה בעמודה השמאלית מציינת את המצב הנרגש. (א3) דינמיקת התפשטות אלומה מתאימה במרחב האמיתי. (ב) שינוי מצב בסריג לא טריוויאלי שתוכנן על ידי ANNs. (ב1) המחשת סריג במרחב אמיתי והתפלגות ערכים עצמיים מתאימים. (ב2) אבולוציה של מצב במהלך התפשטות ב-SD; אזורים מוצלים מציינים את חסימות הצימוד ב-SDs באזורים שונים. (ב3) אבולוציה של אור במרחב האמיתי והופכת למצב טופולוגי; העלילה מימין מציגה את התפלגות העוצמה הממוצעת באזור מוליך הגל הישר. קרדיט: Xia, Lei, et al., doi 10.1117/1.AP.6.2.026005
בעבודתם, החוקרים מווסתים הפרעות ("תדרי נדנוד") להתפשטות התואמות את ההבדלים בין מצבי אור שונים. לשם כך, הם מעסיקים רשתות עצביות מלאכותיות (ANNs) לתכנון מערכי מוליכי גל במרחב אמיתי. ה-ANNs מאומנים ליצור הגדרות מוליכי גל שיש להם בדיוק את דפוסי המצב הרצויים. בדיקות אלו עוזרות לחשוף כיצד האור מתפשט ונכלא בתוך המערכים. לבסוף, החוקרים מדגימים את השימוש ב-ANNs לתכנון סוג מיוחד של מבנה סריג פוטוני הנקרא סריג Su-Schrieffer-Heeger (SSH). לסריג זה יש תכונה ספציפית המאפשרת שליטה טופולוגית של האור בכל המערכת. זה מאפשר להם לשנות את מצב התפזורת שבו האור נע, תוך הצגת המאפיינים הייחודיים של הממדים הסינתטיים שלהם.
ההשלכה של עבודה זו היא מהותית. על ידי כוונון עדין של מרחקים ותדרים של מוליך גל, החוקרים שואפים לייעל את העיצוב והייצור של התקנים פוטוניים משולבים. פרופסור Hrvoje Buljan מאוניברסיטת זאגרב מעיר, "מעבר לפוטוניקה, עבודה זו מציעה הצצה לפיזיקה בלתי נגישה מבחינה גיאומטרית. זה טומן בחובו הבטחה ליישומים החל ממצב לייזר ועד אופטיקה קוונטית והעברת נתונים." גם צ'ן וגם בולג'אן מציינים שהאינטראקציה בין פוטוניקה טופולוגית ופוטוניקת מימד סינתטי המוסמכת על ידי ANNs פותחת אפשרויות חדשות לגילויים שעלולים להוביל לחומרים ויישומי מכשירים חסרי תקדים.
