Resuelven un problema de física de 100 años con un sinfín de aplicaciones tecnológicas

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Un grupo de investigadores de EPFL ha puesto a prueba una ley fundamental y ha descubierto que se puede almacenar más energía electromagnética en sistemas de guía de ondas de lo que se pensaba anteriormente. El descubrimiento tiene implicaciones en las telecomunicaciones. Al evitar esta ley fundamental, concibieron sistemas de resonancia y de guía de ondas capaces de almacenar energía durante un período prolongado manteniendo un amplio ancho de banda. Su truco consistió en crear sistemas asimétricos de resonancia o de guiado de ondas usando campos magnéticos.

El estudio, publicado en Science, fue dirigido por Kosmas Tsakmakidis, primero en la Universidad de Ottawa, en Canadá, y luego en el Laboratorio de Sistemas Bionanopotónicos de EPFL, en Suiza, dirigido por Hatice Altug, donde el investigador está realizando una investigación post-doctoral.

Este avance podría tener un impacto importante en muchos campos de la ingeniería y la física. El número de aplicaciones potenciales es casi infinito. Algunos ejemplos incluyen las telecomunicaciones, los sistemas de detección óptica y la recolección de energía de banda ancha.

Desechando la reciprocidad

Los sistemas de resonancia y de guía de ondas están presentes en la gran mayoría de los sistemas ópticos y electrónicos. Su función es almacenar temporalmente energía en forma de ondas electromagnéticas para luego liberarlas. Durante más de cien años, estos sistemas se vieron condicionados por una limitación que se consideraba fundamental: el tiempo que podía almacenarse una onda era inversamente proporcional a su ancho de banda. Esto implicaba la imposibilidad de almacenar grandes cantidades de datos en sistemas resonantes o guías de onda durante un largo período de tiempo debido a que aumentar el ancho de banda significaba disminuir el tiempo de almacenamiento y la calidad del almacenamiento.

Esta ley fue formulada por primera vez por K. S. Johnson en 1914, de Western Electric Company (la precursora de Laboratorios Telefónicos Bell). Introdujo el concepto del factor Q, según el cual un resonador puede bien almacenar energía durante mucho tiempo, bien tener un amplio ancho de banda, pero no ambas al mismo tiempo. Aumentar el tiempo de almacenamiento significaba disminuir el ancho de banda, y viceversa. Un ancho de banda pequeño significa un rango limitado de frecuencias (o ‘colores’) y por lo tanto una cantidad limitada de datos.

Hasta ahora, este concepto nunca había sido cuestionado. Los físicos y los ingenieros siempre habían construido sistemas resonantes (como aquellos para producir láseres, para crear circuitos electrónicos y para realizar diagnósticos médicos) con esta limitación en mente.

Pero esa limitación es ahora una cosa del pasado. Los investigadores han creado un sistema híbrido de resonancia y guía de ondas hecho de un material magneto-óptico que, cuando se aplica un campo magnético, es capaz de detener la onda y almacenarla durante un período prolongado, acumulando grandes cantidades de energía. Al desconectar el campo magnético, se libera el impulso atrapado.

Con sistemas asimétricos y no recíprocos como estos, ha sido posible almacenar una onda durante un período de tiempo muy largo, manteniendo al mismo tiempo un gran ancho de banda. El límite de tiempo-ancho de banda convencional fue incluso superado por un factor de 1.000. Los científicos también mostraron que, teóricamente, no hay límite superior a este límite en absoluto en estos sistemas asimétricos (no recíprocos).

“Fue un momento de revelación cuando descubrimos que estas nuevas estructuras no tenían restricción alguna de tiempo-ancho de banda en absoluto. Estos sistemas son, a diferencia de lo que todos hemos estado acostumbrados durante décadas, y posiblemente cientos de años”, dice Tsakmakidis, autor principal del estudio. “Su capacidad superior de almacenamiento de onda podría realmente facilitar una gama de aplicaciones interesantes en diversos campos contemporáneos y más tradicionales de la investigación” añade Hatice Altug.

Medicina, medio ambiente y telecomunicaciones

Una posible aplicación es el diseño de búferes totalmente ópticos extremadamente rápidos y eficientes en redes de telecomunicaciones. El papel de los búferes es almacenar temporalmente los datos que llegan en forma de luz a través de fibras ópticas. Al ralentizar la masa de datos, es más fácil de procesar. Hasta ahora, la calidad de almacenamiento había sido limitada.

Con esta nueva técnica, debería ser posible mejorar el proceso y almacenar grandes anchos de banda de datos durante períodos prolongados. Otras aplicaciones posibles incluyen la espectroscopia en un chip, la recolección de luz de banda ancha y el almacenamiento de energía, y el camuflaje óptico de banda ancha (“capa de invisibilidad”). “Este es un avance completamente fundamental: estamos dando a los investigadores una nueva herramienta. Y el número de aplicaciones está limitado sólo por la imaginación de uno”, resume Tsakmakidis.

Artículo original publicado por la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL). Revisado y traducido por ¡QFC!

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2017-06-26T01:16:01+00:00