Una nueva investigación física desafía una ley fundamental, al descubrir que se puede almacenar más energía electromagnética en sistemas de guía de ondas de lo que se pensaba anteriormente.

El hallazgo, en la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL) tiene implicaciones en las telecomunicaciones. Trabajando alrededor de la ley fundamental, investigadores de este centro suizo han concebido sistemas de resonancia y de guía de ondas capaces de almacenar energía durante un período prolongado manteniendo un amplio ancho de banda. Su truco es 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 y luego en el Laboratorio de Sistemas Bionanopotónicos de EPFL 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, con telecomunicaciones, sistemas de detección óptica y recolección de energía de banda ancha que representan sólo algunos ejemplos.

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 y luego liberarlas. Durante más de cien años, estos sistemas fueron retenidos por una limitación que se consideraba fundamental: el tiempo que una onda podía almacenarse era inversamente proporcional a su ancho de banda.

Esta relación se interpretó en el sentido de que era imposible 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, en la Western Electric Company (precursora de Bell Telephone Laboratories). Introdujo el concepto del factor Q, según el cual un resonador puede almacenar energía durante mucho tiempo o tener un amplio ancho de banda, pero no ambos 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 los que producen láseres, hacen circuitos electrónicos y realizan diagnósticos médicos- con esta limitación en mente.

Pero esa limitación es ahora una cosa del pasado. Los investigadores del EPFL crearon un sistema híbrido de resonancia / guía de onda 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. Entonces, cuando se desconecta el campo magnético, se libera el impulso atrapado.

Con tales sistemas asimétricos y no recíprocos, es 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 ninguna restricción de ancho de banda de tiempo, estos sistemas son diferentes a todo lo que hemos estado acostumbrados durante décadas, y posiblemente cientos de años», dice en un comunicado Tsakmakidis, el autor principal del estudio. «Su rendimiento superior de capacidad de almacenamiento de onda podría realmente ser un facilitador de una amplia gama de aplicaciones interesantes en diversos campos contemporáneos y más tradicionales de investigación». añade Hatice Altug.

Una posible aplicación es el diseño de tampones totalmente ópticos extremadamente rápidos y eficientes en las redes de telecomunicaciones. El papel de los tampones 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 potenciales incluyen la espectroscopia en el chip, la recolección de luz de banda ancha y el almacenamiento de energía, y el camuflaje óptico de banda ancha. «El descubrimiento revelado es completamente fundamental-estamos dando a los investigadores una nueva herramienta y el número de aplicaciones está limitado sólo por la imaginación», resume Tsakmakidis.

Fuente: Europa Press