Топологическая фотоника: как математическая концепция помогает создавать перспективные устройства

Это — специальная рубрика Нового физтеха ИТМО. Здесь учёные, преподаватели и студенты физико-технического факультета размышляют о науке, учебном процессе и трудовых буднях.

Математический аппарат нередко формировался в процессе решения практических задач: зачатки векторной алгебры возникли при попытках «сложить» скорости и силы, понятие скорости привело к введению производной и так далее. Однако сегодня мы поговорим о случае, когда изначально абстрактная математическая концепция привела к открытию новых физических эффектов и созданию направления в физике под названием топологическая фотоника. Объясним, как это произошло.

Технической основой для реализации обмена информацией служит цифровая электроника. Она использует полупроводниковые устройства (в основном, транзисторы). На их основе собирают логические элементы: регистры, переключатели, счетчики и микросхемы. Процессоры могут состоять из миллиардов таких элементов, поэтому встает вопрос о скорости их переключения и распространения сигналов в такой сложной цепи. При типичной частоте в 3 ГГц один такт занимает около 300 пс. За это время меняются напряжения и токи, возникают и затухают переходные процессы — в общем, устанавливается новое состояние. Это накладывает ограничения на транзисторы, а именно их граничную частоту (она должна в разы превышать тактовую частоту процессора).

Граничная частота транзисторов лежит в пределах сотен ГГц. Дальнейшая миниатюризация могла бы увеличить это значение, однако слишком маленькими транзисторы делать нельзя. Иначе там, где электроны проходить не должны, они будут «туннелировать». Есть отдельная статья блога компании Intel, посвященная более последовательному объяснению этого вопроса. Пока эти проблемы частично решают путем увеличения числа процессоров и добавления многоуровневой кэш-памяти, которая является своеобразным буфером между процессором и оперативной памятью.

Аналогичная задача возникает и при передаче сигналов на большие расстояния. Именно поэтому по возможности используют оптоволокно, в котором электрический ток заменяется на поток фотонов — частиц света, которые двигаются с предельно возможной скоростью. Помимо скорости, переход на свет избавляет от чрезмерного перегрева систем и делает их эксплуатацию безопаснее. Но и здесь возникают определенные сложности. Один из вопросов — потери на поглощение и рассеяние света в среде распространения (затухание света в оптоволокне составляет несколько дБ/км). И когда мы задумываемся о том, как его разрешить, то подходим к основной теме статьи, а именно к топологической фотонике. Именно она помогает добиться определенных конфигураций проводящих свет структур, чтобы электромагнитные волны сами огибали препятствия.

Подробнее
Пожалуйста, оцените статью:
Ваша оценка: None Средняя: 5 (1 vote)
Источник(и):

Хабр