Escoltar

Llum excitable i solitons de colors per emmagatzemar i processar dades a gran velocitat

Els investigadors de la UIB i la Universitat de Niça publiquen a la revista Nature Communications un estudi sobre la primera observació i el control de solitons de fase topològics en sistemes làser 

Alguna vegada has notat com s'organitzen els núvols en el cel en forma de tubs paral·lels? O les línies que forma l’arena de la platja quan baixa la marea? En el llenguatge de la física aquestes formacions es diuen «estructures dissipatives» i apareixen espontàniament en sistemes dissipatius no lineals mantinguts fora de l'equilibri per una aportació d'energia de l'ambient exterior. Entre aquestes estructures, els solitons dissipatius són de particular interès. En la naturalesa, per exemple, es poden citar els tsunamis com a manifestacions conegudes de solitons.

En general, els solitons són estructures localitzades solitàries que poden propagar-se a través de llargues distàncies sense deformar-se. Aquesta propietat, que contrasta amb la tendència general d'un paquet d'ones a dispersar-se durant la seva propagació, és el resultat d'efectes no lineals induïts per la interacció entre l'ona i el mitjà en el qual viatja.

En òptica, els solitons han estat àmpliament estudiats en guies d'ones i fibres òptiques, especialment, per a aplicacions en el camp de les telecomunicacions. Els solitons dissipatius tenen propietats addicionals notables i, en particular, poden ser manejats individualment, cosa que permet que un solitó pugui codificar-se en forma de bit de dades i posar-se al servei del processament òptic de la informació.

La recerca del doctor Julien Javaloyes, del Departament de Física de la Universitat de les Illes Balears, i els doctors Bruno Garbin, Giovanna Tissoni i Stéphane Barland, de l'Institut no Lineal de Niça, ha permès implementar aquests solitons dissipatius en un làser de semiconductor. Encara que els solitons apareixen habitualment en òptica com a polsos de llum curts, en aquest cas, malgrat això, la quantitat de llum emesa pel làser segueix sent constant en el temps (com ocorre amb la llum emesa per un punter làser) i presenta petits canvis en el color d'emissió de la llum durant breus instants de temps. Aquestes petites variacions en el canvi de color de la llum es poden considerar com a solitons topològics, és a dir, una classe especial de solitons relacionats amb les propietats geomètriques del sistema. De la mateixa manera que un nus en una corda tancada no es pot descompondre, desfer o desembullar sense trencar la corda, les propietats geomètriques dels solitons topològics els confereixen una estabilitat geomètrica addicional.

A més del seu interès fonamental, aquests solitons de color que circulen indefinidament dins la cavitat làser, es poden encendre i apagar individualment, de manera que és possible generar i emmagatzemar una seqüència arbitrària de bits per al seu ús posterior. Es crea, així, un buffer òptic amb possibles aplicacions en la gestió de la informació i del trànsit de banda ampla en xarxes. L'interès en les seves aplicacions es veu reforçat per l'ús del làser de semiconductor, un component clau dels sistemes fotònics a dia d'avui.

De manera sorprenent, els autors han vinculat les seves observacions a les dinàmiques neuronals i han demostrat que la dinàmica temporal del color del làser es regeix per les mateixes equacions matemàtiques que descriuen la dinàmica de les neurones o dels nervis en els organismes vius. Tots aquests sistemes es regeixen pel concepte d’excitabilitat, que descriu, entre altres fenòmens, la capacitat d'un nervi de respondre de manera fortament no lineal a un estímul feble, per exemple, enviant un pols en resposta a una estimulació que passa un cert llindar.

Referència bibliogràfica

B. Garbin, J. Javaloyes, G. Tissoni, S. Barland. «Topological solitons as addressable phase bits in a driven laser». Nature Communications, 6, 5915 (2015). doi: 10.1038/ncomms6915 

Data de publicació: 03/12/2015