.How Scientists Are Tying Light in Midair to Send Messages Through Chaos
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과학자들이 혼돈 속에서 메시지를 전달하기 위해 공중에 빛을 연결하는 방법
듀크 대학교2025년 4월 21일 광학 매듭 아트 컨셉 과학자들은 레이저 빔의 3D 패턴인 광학 매듭을 개발하고 있습니다. 이 매듭은 데이터를 전송하거나 난류를 감지할 수 있습니다. 하지만 이 매듭은 예상보다 취약하다는 것을 발견하여 안정성을 높이기 위한 창의적인 개선이 필요했습니다. (작가의 컨셉) 출처: SciTechDaily.com 빛은 말 그대로 매듭을 묶을 수 있습니다. 듀크 대학교의 엔지니어들은 레이저 빔을 조작하여 광학 매듭이라는 정교한 3D 패턴을 형성하는 데 성공했습니다. 이는 맞춤 설계된 광학 장치를 사용하는 것입니다.
이 꼬인 빔은 언젠가 정보를 전달하거나 공기 난류를 측정할 수 있을 것입니다. 하지만 연구진은 난류와 같은 실제 환경에서는 빔이 예상보다 더 심하게 왜곡될 수 있다는 것을 발견했습니다. 이를 해결하기 위해 연구진은 매듭의 모양을 변형하여 복원력을 높였고, 이를 통해 빛을 놀라운 방식으로 활용할 수 있는 새로운 길을 열었습니다. 빛줄기도 매듭을 묶을 수 있다 매듭은 일반적으로 신발끈이나 끈과 같은 길고 유연한 재료를 꼬아서 만드는데, 빛줄기에 매듭을 묶는다는 생각은 불가능한 것처럼 들립니다. 하지만 연구자들은 정확히 그것을 할 수 있는 방법을 찾아냈습니다.
연못에 돌 여러 개를 한꺼번에 던지는 상황을 상상해 보세요. 잔물결은 퍼져 나가다가 결국 충돌하여 복잡한 간섭 무늬를 만듭니다. 이제 각 잔물결의 속도와 모양을 정밀하게 조절할 수 있다고 상상해 보세요. 세심한 조정을 통해 파도가 교차하는 지점에 정교한 3차원 패턴을 만들어낼 수 있습니다. 과학자들은 이 원리를 빛에도 적용하고 있습니다. 각각 정밀하게 조정되고 모양이 잡힌 여러 개의 레이저 빔을 중첩하고 일련의 렌즈를 통과시키면, 광학 매듭이라고 하는 안정적인 3차원 구조를 형성하는 간섭 패턴을 생성할 수 있습니다. 이 패턴은 우주에 떠 있는 섬세한 거미줄이나 연기 고리와 유사합니다.
옵티컬 노트 그래픽 광학 매듭의 계산적 표현. 녹색 영역은 레이저 빛이 통과하는 영역입니다. 내부의 어두운 영역은 빛이 스스로 간섭하여 꼬이고 어두운 광학 매듭을 형성하는 영역입니다. 출처: 나탈리아 리치니처, 듀크 대학교 홀로그램 스트립은 빛을 분할하여 매듭을 엮습니다.
듀크 대학교의 엔지니어들은 Nature Communications and Photonics Research 에 최근 게재된 연구에서 이 개념을 더욱 발전시켰습니다. 그들은 단일 레이저 빔을 다섯 개의 맞춤형 빔으로 분할하여 엄격하게 제어되는 광학 매듭을 형성하는 홀로그램 소자를 개발했습니다. 이 기술은 언젠가 정보를 인코딩하거나 공기의 난류를 측정하는 데 사용될 수 있으며, 통신 및 환경 감지 분야의 새로운 가능성을 열어줄 것입니다. "실제로 어떤 종류의 응용 프로그램에 광학 매듭을 적용하기 전에, 우리는 광학 매듭을 면밀히 연구하고 광학 매듭이 어떻게 작동하는지 이해해야 합니다." Natalia Litchinitser 전기 및 컴퓨터 공학 교수 광학 매듭은 우리가 생각했던 것만큼 안정적인가?
연구팀은 이러한 광학 매듭에 포함된 정보가 난류를 통과하는 구성 레이저를 견뎌낼 수 있음을 보여주었지만, 과학자들이 원래 생각했던 것만큼 쉽지는 않았습니다. 듀크 대학교 전기 및 컴퓨터 공학과 나탈리아 리치니처 교수는 "사람들은 이러한 형태가 수학적으로 안정된 물체이기 때문에 복잡한 환경에서도 아무런 문제 없이 전달될 수 있을 것이라고 생각했습니다."라고 말했습니다. "실제로 안정성이 보장되는 것은 아니지만, 더 안정적으로 만들 수 있습니다."
옵티컬 노트 레이저 쇼 레이저 빛이 통과할 수 있도록 난류를 생성한 검은색 직사각형 상자. 이 장치를 통해 연구자들은 광학 매듭이 난류를 통과할 때 안정성을 입증할 수 있었습니다. 사진 제공: 켄 킹어리, 듀크 대학교 테이블탑 난류 챔버에서의 테스트 이 결과를 얻기 위해 연구진은 사실상 소형 대류 오븐을 사용해야 했습니다.
광섬유 장치를 사용하면 난류를 통과하는 레이저를 시뮬레이션할 수 있지만, 연구팀은 실제 레이저를 장거리에 걸쳐 재현하고자 했습니다. 그러나 남아프리카 공화국의 공동 연구진이 두 개의 별도 건물에 걸쳐 장비를 구축한 반면, 듀크 연구팀은 식당 크기의 테이블 하나에 그쳤습니다. 리치니처 연구실에서 박사후 연구원으로 일하는 다닐로 고메스 피레스는 "저희는 바닥에 열판이 달린 작은 토스터 오븐 크기의 장치를 사용하고, 팬을 사용하여 공기 난류를 만들었습니다."라고 설명했습니다.
"그런 다음 광선을 작게 만들고 여러 개의 거울에 반사시켜 거의 1,000피트(약 300미터)를 이동하는 것처럼 보이게 했습니다." 레이저를 조작하여 렌즈를 통과시켜 원하는 결과를 얻는 광학 매듭 실험 장치. 사진 제공: 켄 킹거리, 듀크 대학교 매듭 붕괴: 난류에서 일어나는 일 레이저 빔이 이동 중에 방해를 받지 않았다면, 그 결과 생성된 매듭은 세 개의 고리가 있는 하나의 연속된 흐르는 끈처럼 보였어야 했습니다. 그러나 연구진은 난류가 더 강해질수록 매듭이 두 개의 서로 연결된 고리, 심지어는 하나의 고리로 변질되어 그 안에 담긴 정보를 모두 잃을 가능성이 더 높다는 것을 발견했습니다. 하지만 그들은 이러한 저하가 불가피한 것이 아니며, 매듭을 더 오랫동안 안정적으로 유지할 수 있다는 것을 발견했습니다.
마치 단순한 구불구불한 물 미끄럼틀 대신 복잡하게 꼬이고 돌아가는 물 미끄럼틀을 만드는 것처럼, 원래 매끄러운 구조에 더 많은 구불구불한 곡선을 더함으로써 주어진 평면 내에서 측정할 수 있는 더 많은 기준점을 만들었습니다. 리치니처 매듭 다이어그램 왼쪽 하단의 광학 매듭은 위쪽 매듭보다 더 안정적입니다.
연구원들이 모양에 더 많은 "구불구불한" 곡선을 추가하여 주어진 평면 내에서 더 많은 측정 지점(오른쪽 스캔의 빨간색 점)을 확보했기 때문입니다. 출처: 나탈리아 리치니처, 듀크 대학교 작은 매듭의 큰 잠재력 광학 매듭은 아직 초기 단계의 기술로, 약 20년 전에야 발견되었지만, 여러 가지 잠재적인 응용 분야를 가지고 있습니다. 정보를 매듭 모양에 인코딩하여 장거리 전송할 수 있습니다.
매듭이 이동하면서 얼마나 방해를 받는지 측정하면, 매듭이 통과한 난류의 양을 측정하는 방법도 개발될 수 있습니다. 연구원들은 또한 생성된 매듭의 복잡성을 활용하여 3차원 공간에서 작은 입자를 포획하고 조작할 수 있을 것으로 기대합니다. "어떤 종류의 응용 분야에든 광학 매듭을 실제로 사용하려면 먼저 광학 매듭을 면밀히 연구하고 어떻게 작동하는지 이해해야 합니다."라고 리치니처는 말했다. "이번 연구는 실제 난류 속에서 전파되는 것을 처음으로 보여준 것이기 때문에, 여기에서 다음 단계로 나아가 자유 공간에서 광학 매듭이 어떻게 작동하는지 계속 탐구할 수 있도록 확장할 수 있습니다."
참고문헌: DG Pires, D. Tsvetkov, H. Barati Sedeh, N. Chandra, NM Litchinitser 저, "대기 난류에서 광학 매듭의 안정성", 2025년 3월 27일, Nature Communications . DOI: 10.1038/s41467-025-57827-1 Danilo G. Pires, Dmitrii Tsvetkov, Natalia M. Liitchinitser 및 Hooman Barati Sedeh의 "요구에 따라 분리된 광학 소용돌이 매듭 조각", 2025년 1월 31일, Photonics Research . DOI: 10.1364/PRJ.533264 본 연구는 해군 연구국(N00014-20-2558)과 육군 연구국(W911NF2310057)의 지원을 받았습니다.
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메모 2504210458_소스1.분석중【】
1.
과학자들은 레이저 빔의 3D 패턴인 광학 매듭을 개발하고 있다. 이 매듭은 데이터를 전송하거나 난류를 감지할 수 있다. 하지만 이 매듭은 예상보다 취약하다는 것을 발견하여 안정성을 높이기 위한 창의적인 개선이 필요했다.
빛은 말 그대로 매듭을 묶을 수 있다. 듀크 대학교의 엔지니어들은 레이저 빔을 조작하여 광학 매듭이라는 정교한 3D 패턴을 형성하는 데 성공했다. 이는 맞춤 설계된 광학 장치를 사용하는 것이다.
이 꼬인 빔은 언젠가 정보를 전달하거나 공기 난류를 측정할 수 있을 것이다. 하지만 연구진은 난류와 같은 실제 환경에서는 빔이 예상보다 더 심하게 왜곡될 수 있다는 것을 발견했다. 이를 해결하기 위해 연구진은 매듭의 모양을 변형하여 복원력을 높였고, 이를 통해 빛을 놀라운 방식으로 활용할 수 있는 새로운 길을 열었다.
1-1.
빛줄기도 매듭을 묶을 수 있다
매듭은 일반적으로 신발끈이나 끈과 같은 길고 유연한 재료를 꼬아서 만드는데, 빛줄기에 매듭을 묶는다는 생각은 불가능한 것처럼 들린다. 하지만 연구자들은 정확히 그것을 할 수 있는 방법을 찾아냈다.
연못에 돌 여러 개를 한꺼번에 던지는 상황을 상상해 보자. 잔물결은 퍼져 나가다가 결국 충돌하여 복잡한 간섭 무늬를 만든다. 이제 각 잔물결의 속도와 모양을 정밀하게 조절할 수 있다고 상상해 보자. 세심한 조정을 통해 파도가 교차하는 지점에 정교한 3차원 패턴을 만들어낼 수 있다.
_[3,3-1】광학매듭은 일종에 레이저 빔의 쇼를 보여준 이미징이다. 혹은 작은 날파리의 비행이다. 이들은 qpeoms의 vixer의 개념으로 보면 레이저의 좌표축은 qpeoms 이론에서의 대각선 zz'이다. 그리고 더 자유로운 vix(*) 정의역에 의하면 좌표측은 집합 개념이 될 수도 있다. 어허. 아무튼 레이저 쇼로 공간에서 작은 입자들을 포획하고 조작할 수 있을 것이다.
레이저빔을 만들려면 펌핑, 밀도반전, 결맞음 개념들이 등장한다. 펌핑은 1로 nk2를 만들어낸다. 빛을 만들려면 nk2 끝수인데 원자수가 많다. 이것이 에너지 준위 1에 대한 밀도 반전이다. 1의 ground mcell 안에 많은 excited 원소가 생기는 것은 불안정한 qcell 상태이고 이들이 에너지 준위를 banc로 낮춰 nk상태를 이루면 준안정상태가 된다. 에너지 준위가 높은 상태에서 낮아지며 빛은 파장과 위상 방향에 따라 자연방출 유도방출(레이저 빔)이 msbase 축소에 따라 이론상 100억 msbase.nk2 들뜬상태에서 바닥상태 msbase4.qpeoms 보기1. >>> 순차적 밀도반전이 일어나 에너지준위 oms4 보기1-1 혹은 msbase3 보기base3.까지 에너지 준위가 E1>E2(E2>E1)으로 떨어지며 빛들이 qms.nqvix.qcell에 의해 우주 시공간에 무수히 가득하게 나타난다. 어허. 물론 때때로 자연 유도방출인 초신성의 빛도 이과정에 나타난다. 어허.
보기1.
sample 1.vix.a'6//vixx.a(b1,g3,k3,o5,n6)
b0acfd|0000e0
000ac0|f00bde
0c0fab|000e0d
e00d0c|0b0fa0
f000e0|b0dac0
d0f000|cae0b0
0b000f|0ead0c
0deb00|ac000f
ced0ba|00f000
a0b00e|0dc0f0
0ace00|df000b
0f00d0|e0bc0a
보기1-1.
01000000
00000001
00010000
00000100
보기 base3.
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