Η κούρσα για την ανάπτυξη των δικτύων 6G έχει ξεκινήσει εδώ και αρκετό καιρό, αλλά οι πραγματικές καινοτομίες δεν προέρχονται μόνο από τις νέες κεραίες και πρωτόκολλα. Συχνά προκύπτουν από πειράματα με υλικά που δεν περιμέναμε να είναι στο επίκεντρο της επόμενης επανάστασης στις τηλεπικοινωνίες. Μια τέτοια σημαντική ανακάλυψη έγινε από μια ομάδα ερευνητών του RPTU Kaiserslautern-Landau, οι οποίοι ανακοίνωσαν ότι εντόπισαν υβριδικά κύματα που δημιουργούνται από την ισχυρή αλληλεπίδραση του ήχου και των μαγνητικών ταλαντώσεων των ηλεκτρονίων σε ένα κρύσταλλο YIG (Ύττριο Σίδηρος Γρανάτης) σε σχετική μελέτη.
Για όσους δεν είναι εξοικειωμένοι με τον κόσμο των κυμάτων, το YIG είναι ήδη δεκαετίες ένας χρυσός κανόνας στη μελέτη των μαγνητικών διεγέρσεων. Οι επιστήμονες συνιστούν αυτό το υλικό λόγω των εξαιρετικά χαμηλών απωλειών και της σταθερότητας που προσφέρει, καθιστώντας το ιδανικό για την παρατήρηση φαινομένων που αλλιώς θα χάνονταν στο θόρυβο. Από την άλλη, οι ακουστικές επιφανειακές κυματομορφές είναι θεμέλιο της σύγχρονης τεχνολογίας: είναι οι αόρατοι αυτοί εργατοί στα chips φίλτρων που ρυθμίζουν τα σήματα στα smartphones, το GPS και τα Wi-Fi routers.
Η ομάδα του καθηγητή Mathias Weiler έκανε το επόμενο βήμα φέρνοντας σε επαφή δύο κόσμους που, αν και γειτονικοί, σπάνια είχαν συνδυαστεί σε τέτοια κλίμακα: τις μηχανικές ταλαντώσεις ενός υλικού και το κβαντικό spin των ηλεκτρονίων του. Στη θεωρία, κάθε φορά που ένα υλικό δονείται, οι ταλαντώσεις αυτές μεταφέρονται στα ηλεκτρονικά spins, δημιουργώντας μαγνητικά κύματα, γνωστά ως spin waves. Στην πράξη, ωστόσο, η ένωση αυτών των δύο μορφών ενέργειας σε ένα ενιαίο κύμα απαιτεί λεπτή ισορροπία.
Το πείραμα στήθηκε σε έναν ακουστικό συντονιστή νανοκλίμακας, όπου το YIG υποβλήθηκε σε κατευθυνόμενες δονήσεις. Εκεί συνέβη κάτι απρόσμενο για την ομάδα: οι επιφανειακές ακουστικές κυματομορφές και τα spin waves δεν εμφανίστηκαν ως δύο διακριτά φαινόμενα, αλλά αντ’ αυτού συνέπλεξαν σε μία νέα οντότητα. Ο πρώτος συγγραφέας της μελέτης, Kevin Künstle, το περιέγραψε ως μια «χίμαιρα» του κόσμου των κυμάτων: ούτε καθαρά ηχητική ούτε καθαρά μαγνητική, αλλά κάτι που ανήκει και στις δύο κατηγορίες. Ο νέος αυτός τύπος κύματος ονομάζεται μαγνόνιο-πολαρόνιο.
Ωστόσο, το πραγματικά κρίσιμο στοιχείο της ανακάλυψης είναι η ένταση της σύζευξης που το γεννά. Η συχνότητα Rabi, δηλαδή η ταχύτητα με την οποία το κύμα «ταλαντεύεται» ανάμεσα στην ηχητική και τη μαγνητική του φύση, αποδείχθηκε ισχυρότερη από κάθε μορφή απώλειας στο σύστημα. Με απλά λόγια, η ανταλλαγή ενέργειας ανάμεσα στα δύο φαινόμενα είναι τόσο αποτελεσματική που το κύμα δεν καταρρέει ξανά σε ξεχωριστά συστατικά του. Αυτή η χαρακτηριστική ιδιότητα ανοίγει τον δρόμο προς πρακτικές εφαρμογές: σταθερότητα, έλεγχος και αξιοπιστία.
Μια λεπτομερής θεωρητική μοντελοποίησή του επιτεύχθηκε μέσω συνεργασίας με την ομάδα του Akashdeep Kamra, εξηγώντας γιατί αυτή η ισχυρή σύζευξη είναι εφικτή στο YIG και πώς μπορεί να αξιοποιηθεί σε αρχιτεκτονικές συσκευών.
Γιατί όμως αυτό είναι σημαντικό για το 6G; Διότι τα δίκτυα επόμενης γενιάς θα απαιτήσουν εξαρτήματα ικανά να προσαρμόζουν τη συμπεριφορά τους σχεδόν σε πραγματικό χρόνο. Τα σημερινά ακουστικά φίλτρα λειτουργούν άψογα, αλλά παραμένουν «στατικά»: κάθε φίλτρο είναι βελτιστοποιημένο για μια συγκεκριμένη μπάντα συχνοτήτων. Σε ένα περιβάλλον 6G, όπου οι συχνότητες πρέπει να αναδιαμορφώνονται συνεχώς ανάλογα με το φάσμα, την κίνηση και τις ανάγκες του δικτύου, αυτή η έλλειψη ευελιξίας θα αποτελέσει εμπόδιο.
Εδώ ακριβώς εντοπίζεται η δυναμική των μαγνονίων-πολαρονίων. Εφόσον η ταυτότητα του κύματος εξαρτάται από τις συνθήκες του υλικού, ένα εξωτερικό μαγνητικό ή ηλεκτρικό πεδίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αλλαγή της λειτουργίας του φίλτρου σε πραγματικό χρόνο. Φανταστείτε ένα μικροσκοπικό επεξεργαστή ραδιοσυχνοτήτων που προσαρμόζεται αυτόματα στις ανάγκες μετάδοσης, ελαχιστοποιώντας παρεμβολές, εξοικονομώντας ενέργεια και επιτρέποντας τη δημιουργία συσκευών μικρότερου μεγέθους. Αυτή είναι η υπόσχεση που κρύβει η υβριδική φυσική του YIG.
Πέρα από τις τηλεπικοινωνίες, η ίδια τεχνολογία θα μπορούσε να εφαρμοστεί σε οποιαδήποτε χρήση μικροκυμάτων που απαιτεί ρύθμιση συχνότητας χωρίς περίπλοκα ηλεκτρονικά συστήματα: από αισθητήρες μέχρι μελλοντικές κβαντικές συσκευές.
Η έρευνα, η οποία χρηματοδοτήθηκε από το European Research Council και τη Γερμανική Ερευνητική Εταιρεία, υπενθυμίζει ότι ακόμη και οι ώριμες τεχνολογίες, όπως οι ακουστικές επιφανειακές κυματομορφές, μπορούν να αναγεννηθούν αν κάποιος τολμήσει να τις δει μέσα από το πρίσμα της θεμελιώδους φυσικής.
Αν το 6G θα στηριχθεί πράγματι σε υβριδικά κύματα που άλλοτε θεωρούνταν θεωρητικά παράδοξα, τότε το μέλλον των τηλεπικοινωνιών προμηνύεται πιο εξωτικό και συναρπαστικό απ’ όσο θα μπορούσαμε να φανταστούμε.
