Terahertz iletişim teknolojilerinde veri güvenliğini ve hızını artırmak adına, fizikte yok edilmesi son derece zor olan özel bir geometrik yapı bulunuyor. Bu yapıyı sarsabilir, ısıtabilir veya sıkıştırabilirsiniz. Hatta her türlü dış etkene maruz bırakabilirsiniz. Ancak içinde yer aldığı dokuyu fiziksel olarak tamamen parçalamadığınız sürece yapısını kusursuz bir şekilde korur. Bu durum bir temenni değildir. Bu durum matematiksel bir kesinliktir. Araştırmacılar bu özel geometrik desene “skyrmion“ adını veriyor.
Skyrmion Yapısını Gözde Canlandırmak
Bir skyrmionu gözünüzde canlandırmanın en kolay yolu bulunuyor. Üzeri minik oklarla kaplı bir hedef tahtası düşünün. Tam merkezdeki tüm oklar doğrudan tahtanın içine doğru bakar. Yani oklar aşağıya yönelmiştir. En dış kenardaki oklar ise tamamen yukarıyı gösterir. Merkezden dışarıya doğru ilerledikçe oklar pürüzsüzce yön değiştirir. Her olası yönden geçerek kendi üzerlerine kapanırlar. Bu sayede tam bir dönüş gerçekleştirirler.
Matematiksel Kilitleme ve Sarsılmaz Kararlılık
Bu dönüş deseninin matematiksel bir değeri vardır. Bu değere “skyrmion sayısı” adı verilir. Bu değer tam olarak +-1 seviyesine kilitlenmiştir. Artı veya eksi işareti sadece bükülmenin yönünü belirler. Dışarıdan gelen hiçbir gürültü bu değeri değiştiremez. Isı etkisiyle sistemde kayma yaşanmaz. Rastgele bir dış müdahale de bu yapıyı tersine çeviremez. Değeri değiştirmenin tek bir yolu vardır. Bu yol, tüm deseni şiddetli bir şekilde ortadan kaldırmaktır.
Terahertz İletişim İçin Işığın İçine Yolculuk
Bilim insanları skyrmionları ilk olarak belirli manyetik malzemelerin içinde keşfetti. Bu yapıların bilgi taşımak için çok uygun olduğunu fark etti. Bir skyrmionun varlığı “1” değerini temsil ediyordu. Yapının yokluğu ise “0” değerini gösteriyordu. Çevredeki hiçbir etken bu bilgiyi yanlışlıkla bozamazdı. Fakat manyetik malzemeler yavaştır. Ayrıca yapısal olarak sadece bir çip yüzeyiyle sınırlıdır. Bu durum araştırmacıları yeni bir soruya yöneltti. Bu dayanıklı şekli ışığın içine yerleştirmek mümkün olabilir miydi? Böylece şekil açık boşlukta serbestçe seyahat edebilirdi.
Üç Farklı Ülke ve Ortak Bir Optik Başarı
Tianjin Üniversitesi (Çin) araştırmacıları bu fikri gerçeğe dönüştürdü. Çalışmaya Nanyang Teknoloji Üniversitesi (Singapur) ve Oklahoma Eyalet Üniversitesi (ABD) de katkı sağladı. Optica dergisinde yayımlanan çalışmaya göre ekip, ışığın içinde sadece tek bir skyrmion üretmedi. Araştırmacılar iki farklı skyrmion türü oluşturdu. Ardından tek bir ince optik dalga plakasını döndürdüler. Böylece bu iki mod arasında istendiği an geçiş sağladılar. Bu dalga plakası literatürde “half-wave plate” olarak geçmektedir.
Terahertz İletişim Modları Arasındaki Keskin Ayrım
Araştırmacıların ürettiği iki farklı skirmiyon türü şu şekildedir:
- Elektrik Skyrmionu: Topolojik bükülme, ışık dalgasının elektrik alanında gerçekleşir.
- Manyetik Skyrmion: Aynı topolojik bükülme, bu kez ışık dalgasının manyetik alanında meydana gelir.
Bu iki yapı birbirinden net bir biçimde ayrılır. Bu ayrım, sol elli bir düğüm ile sağ elli bir düğümün farkı gibidir.
Küçük Bir Çip ve Mikroskobik Antenlerin Mühendisliği
Proje lideri Jiaguang Han ve çalışma arkadaşları bu skirmiyonları üretmeyi başardı. Bunun için kabaca küçük bir posta pulu boyutunda düz bir çip geliştirdiler. Bu çipin yüzeyine binlerce mikroskobik C-şekilli anten yerleştirdiler. Bu antenler altın malzemeden oluşmaktadır. Ayrıca her biri bir bakteriden çok daha küçüktür.
Yapılandırılmış bir lazer ışını bu çipe çarpar. Bu esnada antenler gelen yakın-kızılötesi ışığı soğurur. Ardından bu enerjiyi terahertz dalgaları olarak yeniden dışarıya yayar. Sistemin çalışmasındaki temel nokta, antenlerin çip üzerindeki yerleşim düzenidir:
- Bir grup anten, merkezden dışarıya doğru açılan eş merkezli halkalar oluşturur.
- Diğer grup anten ise merkezden dışarıya doğru uzanır. Bu uzanışı bir tekerleğin parmaklıkları gibi spiral çizerek yapar.
Doğru lazer ışınıyla aktifleştirdiğinde her bir anten dizilimi farklı bir ışık darbesi üretir. Bu darbeler skirmiyon taşımaktadır. Lazeri bir ışın şeklinden diğerine geçirmek oldukça kolaydır. Bunun için tek bir optik plakayı sadece 45 derece döndürmek yeterli olur. Araştırmacılar bu döndürme hareketiyle hızlı bir sonuç alır. Çip, anında ve temiz bir şekilde bir skyrmion türünden diğerine geçer.
Makalenin birinci yazarı Li Niu bu temel yeniliği net bir şekilde tanımlıyor. Niu, basın açıklamasında yapıyı şu sözlerle ifade ediyor: “Sistem, şekillendirilmiş yakın-kızılötesi femtosaniyelik lazer darbelerini amaca özel terahertz toroidal ışık darbelerine dönüştürüyor. Çekirdek inovasyon, bu işlemi yapan doğrusal olmayan metayüzeydir.”
Deneysel Doğrulama ve %1’lik Hassasiyet Verileri
Araştırma ekibi bu süreci tamamen doğruladı. Bunun için her bir ışık darbesinin tam üç boyutlu yapısını haritalandırdı. Ekip, bu haritalandırma işlemini uzayda ve zamanda birden fazla konumda gerçekleştirdi. Hassas deneysel ölçümlerde elde edilen skyrmion sayıları şu şekildedir:
| Skyrmion Türü | Ölçülen Değerler | Matematiksel Hedef | Sapma Oranı |
| Elektrik Skyrmionları | -0.990 ve +0.992 | +-1 | %1’den az |
| Manyetik Skyrmionları | -0.991 ve +0.994 | +-1 | %1’den az |
Elde edilen bu değerler önemli bir başarıyı gösteriyor. Sistem, matematiksel olarak mükemmel kabul edilen +-1 değerine %1’den daha az bir sapmayla yaklaşıyor. Kusursuz skyrmion skorundan gerçekleşen bu çok küçük sapma, tamamen gerçek dünyadaki ölçüm sınırlarından kaynaklanıyor. Çünkü üç boyuttaki anlık bir ışık darbesini örneklemek her zaman küçük bir yuvarlama hatası bırakır. Ancak buradaki topolojik yapı tamamen bozulmadan kalır.
Terahertz İletişim Engellerini Matematikle Aşmak
Bu sonucun taşıdığı önem çok büyüktür. Laboratuvardaki deneyin başarısından çok daha ileri bir noktaya ulaşıyor. Yeni nesil kablosuz iletişim teknolojileri terahertz frekanslarında çalışacaktır. Bu teknolojiler mevcut mobil ağlardan çok daha fazla veri taşıma kapasitesine sahiptir. Ancak bu sistemlerin karşısında ciddi bir engel bulunuyor. Bu engel gerçek dünya şartlarıdır. Nem, atmosferik türbülanslar, binalar ve hatta yağmur bu sinyalleri etkiler. Terahertz sinyalini kolayca bozabilir. Buna karşı korunmak ise teknik olarak oldukça zordur.
Geleneksel optik sinyaller bilgiyi dalganın parlaklığına kodlar. Mühendisler bazen de bilgiyi dalganın hassas zamanlamasına yerleştirir. Dalganın parlaklığı genlik olarak da bilinir. Fakat bu parametrelerin ikisi de kırılgandır. Dışarıdan gelen bir gürültü bilgiyi kolayca bozar. Bu durum, bir su damlasının kağıt üzerindeki mürekkebi dağıtması gibidir.
Skyrmion tabanlı sinyaller ise tamamen farklı bir yöntemle çalışır:
- Bilim insanları bilgiyi doğrudan ışık darbesinin topolojik şekline kodlar.
- Bu şekil çevre şartları tarafından kazara değişmez.
- Sinyal daha iyi bir mühendisliğe ihtiyaç duymaz. Daha kalın yalıtım kalkanlarını da gerektirmez. Doğrudan matematiğin kendi kurallarıyla kendini korur.
Tüm bunlara ek olarak sistem önemli bir avantaj sunar. Elektrik ve manyetik olmak üzere birbirine dönüştürülebilen iki farklı skyrmion durumuna sahibiz. Bu durum, aynı ışık demeti üzerinden iki farklı bilgi kanalının yolculuk etmesini sağlar. Böylece fazladan hiçbir bant genişliği harcamayız. İletişim kapasitesi doğrudan iki katına çıkar.
Araştırma ekibi çalışan bir konsept ortaya koydu. Bu sistem yeni bir iletişim yönteminin uygulanabilirliğini kanıtlıyor.
Haberi Derleyen: Dilara SİPAHİ
KAYNAKÇA:
Switchable skyrmions light up terahertz communications