В современном мире, где цифровые оптические коммуникации играют ключевую роль, значительные улучшения минимальных потерь в оптических волокнах не наблюдались примерно 40 лет. Снижение этих потерь позволило бы сигналам преодолевать большие расстояния без усиления, что привело бы к увеличению объёма передаваемых данных, более быстрому интернету и более эффективным сетям.
Традиционные волокна против полых волокон
Обычные волокна передают свет через кварцевые сердечники, возможности улучшения которых ограничены. Альтернативой являются полые волоконные световоды (HCF), которые теоретически позволяют увеличить скорость передачи данных за счёт того, что свет движется по воздуху быстрее, чем по кварцу. Однако учёным долго не удавалось создать HCF, которые работали бы лучше, чем кабели на основе кварца. В большинстве случаев потери в HCF были выше, или конструкция оказывалась непрактичной.
Прорыв в дизайне HCF
Исследователи из Саутгемптонского университета и Microsoft заявляют, что им удалось совершить прорыв в дизайне HCF. В недавно опубликованном исследовании в журнале Nature Photonics описано новое волокно, которое достигает рекордно низких потерь в 0,091 дБ/км на длине волны 1550 нм. Для сравнения, минимальные потери в волокнах на основе кварца составляют 0,14 дБ/км.
Новый дизайн поддерживает низкие потери около 0,2 дБ/км в диапазоне частот 66 ТГц и обеспечивает на 45% более высокую скорость передачи данных.
Авторы исследования объясняют: «Потери ниже 0,2 дБ/км, совместимые с дальней связью, становятся возможными в диапазоне от 700 нм до более чем 2400 нм. Это даёт возможность оптимизировать длины волн передачи на основе того, где оптоэлектронные компоненты и технологии усиления демонстрируют наилучшие характеристики и обеспечивают наименьшую стоимость за бит, а также возможность обеспечить передачу с низкими потерями на длинах волн, которые до сих пор были недоступны».
Используя продвинутое моделирование, исследователи минимизировали три основных механизма потерь: утечку, поверхностное рассеяние и микроизгиб, и протестировали волокна длиной до 15 км для подтверждения своих результатов.
Новое волокно представляет собой разновидность вложенных антирезонансных волокон без узлов (DNANF) с воздушным сердечником, окружённым тщательно спроектированной стеклянной микроструктурой.
Команда считает, что дальнейшие исследования могут снизить потери ещё больше, возможно, до 0,01 дБ/км, а также помочь настроить волокно для работы с низкими потерями на разных длинах волн.
Авторы заканчивают словами: «В свете полученных результатов мы уверены, что с развитием объёмов производства, геометрической согласованности и снижения присутствия поглощающих газов в сердцевине DNANF HCF утвердятся в качестве ключевой волноводной технологии. Эта инновация может стать основой для следующего технологического скачка в области передачи данных».
Эксперимент в ЦЕРН определил западную границу «острова инверсии» атомных ядер
Эксперимент, проведённый на установке ISOLDE в ЦЕРН, определил западную границу небольшого «острова инверсии» атомных ядер, где традиционные ядерные правила нарушаются.
Атомное ядро: вопросы остаются
Атомное ядро было открыто более века назад, но многие вопросы остаются относительно силы, которая удерживает вместе его составные протоны и нейтроны, и того, как эти частицы упаковываются внутри него.
В классической модели ядерной оболочки протоны и нейтроны располагаются по оболочкам с возрастающей энергией, и полностью заполненные внешние оболочки протонов или нейтронов приводят к особенно стабильным «магическим» ядрам. Но модель работает только для ядер с правильным соотношением протонов и нейтронов. Получите неправильное соотношение — и модель ломается.
Идентификация регионов на карте ядер, где происходит этот сбой, занимает ядерные физики по всему миру. Цель — разработать модель, которая применима ко всем ядрам и ведёт к более глубокому пониманию их внутренней структуры.
Исследование «острова инверсии»
В статье, опубликованной в Physical Review C, Луи Лаланн и его коллеги сообщают данные, полученные на установке ISOLDE, которые позволили им определить западную границу одного из таких регионов — «острова инверсии», связанного с числом нейтронов 40.
«Остров инверсии» с 40 нейтронами — один из немногих небольших островов необычных ядер в море в основном «нормальных» ядер на нейтронно-богатом краю карты ядер. В этих островных регионах обычный порядок заполнения ядерных оболочек нарушается, и нейтроны занимают оболочки, отличные от тех, где мы ожидаем их найти. Такое необычное заполнение оболочек придаёт этим ядрам необычные формы и свойства по сравнению с их соседями.
Чтобы исследовать «остров инверсии» с 40 нейтронами, Лаланн и его сотрудники использовали ISOLDE — уникальный комплекс для производства и изучения ядер, которые имеют слишком много или слишком мало нейтронов, чтобы быть стабильными. В частности, они создали и исследовали малоизученное ядро хрома-61, которое имеет 24 протона и 37 нейтронов и, как считалось, расположено прямо на западном берегу «острова инверсии» с 40 нейтронами.
Используя измерения, проведённые с помощью аппарата коллинеарной резонансной ионизационной спектроскопии (CRIS), который позволяет изучать нейтронно-богатые ядра с высокой точностью, исследователи определили два свойства хрома-61, известные как спин и магнитный дипольный момент.
В сочетании с теоретическими расчётами эти измерения показали, что хром-61 имеет конфигурацию заполнения оболочек, которая лежит между той, которая ожидается для ядер, расположенных за пределами «острова инверсии» с 40 нейтронами, и той, которая ожидается для ядер, лежащих внутри него. Это позволило определить западную границу «острова инверсии» с 40 нейтронами.
«Конечная цель — понять, как возникает и развивается ядерная структура в ядерном ландшафте», — говорит Лаланн. «Острова инверсии важны, потому что они представляют собой регионы быстрой эволюции, которые бросают вызов нашему пониманию. Этот результат помогает нам составить более чёткую картину механизма, управляющего этой эволюцией».