Лазерный мир

 Свет взломан и это меняет правила игры

Помните фразу «это физика, её не обманешь»? А вот учёные из ИТМО с зарубежными коллегами обманули. Они создали сингулярность, которая не разрушает мир, а спасает его: ловит вирусы, ускоряет интернет и следит за чёрными дырами. Как российские учёные заперли свет в наноловушке — читайте тут.

Что такое оптическая сингулярность?

Для начала разберёмся, что же такое сингулярность. Обычно, если слышишь это слово, сразу вспоминается чёрная дыра, где законы физики как будто перестают работать, а математические формулы стремятся к бесконечности. Но в мире оптики история совсем другая.

Здесь речь идёт не про космос, где гравитация рвёт звёзды на части. Это про точку, где два луча света (оптических резонанса) вдруг сливаются в один, как два голоса в хоре, которые внезапно звучат в унисон.

Такое слияние вызывает резонансные эффекты, благодаря которым система становится невероятно чувствительной к малейшим изменениям внешней среды (грубо говоря, чуть сдвинешь эквалайзер — и всё зазвучит совсем по-другому).

Открытая система и континуум

Чтобы понять особенности всего, что происходит, нужно немного углубиться в тему закрытых и открытых систем.

В закрытых системах энергия остается внутри, как в герметично запертом контейнере, где никто и ничего не выбивается наружу. А вот открытые системы (или неэрмитовыe) способны обмениваться энергией с окружающим миром.

Именно в таких системах и наблюдаются интересные эффекты, как, например, появление тех самых исключительных точек — состояний, когда резонансы сливаются, а их параметры становятся идентичными. Исключительными их назвали потому, что для света такое провернуть очень сложно — длина волны-то очень маленькая.

Тут ещё стоит немножко сказать про лазеры, ведь они тоже по своей сути резонаторы. Проще говоря, это своеобразные ловушки для света, которые усиливают и направляют световые волны в нужном направлении.

Кроме лазеров такое есть и в интерферометрах — помимо прочего их ещё применяют для регистрации гравитационных волн, а также в медицинских сенсорах, которые способны определять наличие вирусов и биомаркеров заболеваний с поразительной точностью.

Интерферометр Майкельсона cостоит из зеркала, который делит входящий луч на два, которые в свою очередь, отражаются зеркалом обратно. Такой принцип лежит в основе современных гравитационных антенн

А если правильно сконструировать систему, можно уловить даже отдельные молекулы!

И ведь учёные и раньше-то получали исключительные точки, только вот они быстро исчезали — как и лазер, они не изолированы от внешнего мира (континуума) и излучают в этот внешний мир энергию. А с таким особо не поработаешь, никаких там точных измерений или оптических переключателей.

Учёным пришлось долго искать компромиссное решение: как сохранить сверхчувствительность сингулярности, но при этом защитить её от нежелательных потерь.

Как подружить несовместимое?

Ответ нашелся в том, что на первый взгляд казалось невозможным.

Учёные из ИТМО решили, что надо объединить два связанных состояния в континууме так, чтобы получилась одна стабильная исключительная точка, которая, несмотря на общение с внешним миром, не «теряет» энергию.

Идея кажется почти безумной — ведь раньше все думали, что это невозможно: чтобы система и не излучала энергию, и при этом была открытой для обмена ею с окружающей средой.

Исключительные связанные состояния в континууме (BIC). Слева: две ловушки (BIC) связаны между собой (k). Они не излучают свет наружу. Когда связь между ними слабая (κ = 0), их «вибрации» (частоты) совпадают. Справа: у одной ловушки появились «утечки» энергии. Учёные нашли баланс: когда связь (κ) компенсирует эти утечки (γ_int / 2), система становится суперстабильной. Свет остаётся в ловушках, даже если они открыты для внешнего мира

Вот тут начинается самая крутая часть: они создали своего рода «защитный кокон», в котором резонанс остается стабильным и сверхчувствительным даже при минимальных внешних воздействиях.

Для этого они сделали невозможное, ввели дополнительный канал потерь — специально создали «безызлучательный» путь, куда уходила часть энергии в виде тепла.

Для этого нужно было выполнить одновременно два противоречивых друг другу условия. Первое — чтобы система не теряла энергию, а второе — чтобы потери всё же оставались. Это создавало фундаментальное противоречие. Нам удалось его обойти, введя дополнительный канал потерь. На первый взгляд, это тривиальное допущение, но оно кардинально меняет подход к вопросу. Мы учли, что энергия может не только излучаться во внешнее пространство, но и поглощаться самим материалом. Это простое допущение полностью переворачивает картину и позволяет объединить два связанных состояния в континууме в одну исключительную точку.

Андрей Богданов

Это позволило «подружить» два ранее несовместимых явления — связанность состояний и устойчивость исключительной точки.

Ловушки для света

Давайте немного углубимся в технические фишки. Для реализации этой идеи потребовались сверхточные конструкции — диэлектрические метаповерхности.

Исключительные связанные состояния в континууме. Два слоя нанодисков радиусом 150 нм, высотой 50 нм и периодом 400 нм — верхний слой дисков сделан из материала, который слегка «поглощает» свет, нижний слой идеально прозрачен. Когда свет попадает в эту структуру, он начинает «танцевать» между слоями: либо синхронно, либо в противофазе. В результате возникают два типа состояний: симметричное — свет колеблется одинаково в обоих слоях. и антисимметричное — свет в одном слое гасит свет в другом. Оба состояния не излучают свет наружу — как будто фотоны заперты в невидимой клетке.

Проще говоря, это тоненькие пластины, которые сделаны из кремния, где каждый элемент — маленький диск размером в 150 нанометров. Для сравнения: это примерно в 500 раз меньше толщины человеческого волоса!

Эти пластины умеют ловить свет, при этом аккуратно концентрируют его в определённой области, чтобы фотоны не улетучивались в пустоту. А когда вы располагаете две такие пластины на расстоянии около 240 нанометров, резонансы начинают «общаться» и в нужный момент сливаются в одну стабильную исключительную точку.

Метаповерхность — это ультратонкий материал с наноразмерными элементами (вроде микроскопических столбиков или отверстий), которые искусственно «программируются» для управления светом. Такие поверхности могут делать с лучами что угодно: фокусировать, искривлять, фильтровать…

Всё это должно быть тонко настроено: точность изготовления метаповерхностей, контроль расстояния между ними и даже преднамеренное введение неровностей — всё это здесь очень решает.

Вот поэтому экспериментаторы используют численное моделирование, чтобы просчитать каждый нюанс конструкции. Если сойти с правильного пути, то два резонанса либо не встретятся, либо сразу разлетятся, как шайбы на льду.

От медицины до космических исследований

Что же можно делать с этой технологией? На самом деле дофига всего.

Прежде всего, это создание ультрачувствительных оптических сенсоров. Так можно обнаружить не просто большое количество вирусов, а даже одного-единственного возбудителя заболевания, например, ковид. Это значит, что диагностика болезней может стать настолько точной (и быстрой), что можно будет диагностировать проблему на самом раннем этапе.

Человек только чихнул — и телефон сразу пишет, что это может быть.

В будущем фотоника обещает заменить электроны в процессорах, потому что фотоны летят со скоростью света. Операции выполняются мгновенно, а затраты энергии сведены к минимуму — без тепла и лагов. Игры в 8К? Нейросети, решающие задачи за секунды? Легко!

Оптические транзисторы, переключатели и модуляторы, которые построены на этой технологии, смогут стать основой для интернета следующего поколения, где скорость передачи данных выйдет на принципиально новый уровень.

Сингулярности могут стать «повторителями» для квантовой связи — так ваши сообщения нельзя будет подслушать даже теоретически.

И ещё один важный момент: улучшение лазерных интерферометров, типа LIGO. Они и сейчас весьма точны, но с новыми технологиями стабильность и чувствительность устройств возрастёт настолько, что мы сможем фиксировать даже самые слабые гравитационные волны, которые находят слияния чёрных дыр и всякое другое.

Kазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория состоит из двух обсерваторий, удалённых друг от друга на 3002 километра

Путешествие в будущее

В заключение хочется сказать: если раньше мы думали, что сингулярности — это удел далёких космических объектов и чёрных дыр, то современные исследования дают нам совершенно новый взгляд на эту тему. Тут, может быть, и зарождается новая эра в оптике и фотонике.

Это не просто очередной научный факт, которые иногда открывают учёные для учёных. Наука способна удивлять и вдохновлять, даже если речь идёт о такой, на первый взгляд, сухой и непонятной теме, как резонансы и сингулярности.

Наши учёные с зарубежными коллегами доказали, что в казалось бы парадоксальных условиях возможно создание устойчивых оптических сингулярностей, которые объединяют в себе два противоречивых явления. Когда в ИТМО взялись за такой эксперимент, они показали, что иногда, чтобы двигаться вперёд, нужно рискнуть и сделать шаг в никуда.

Сейчас команда печатает наноплёнки в лаборатории Циндао как пиццу, но вместо теста — кремний и нитрид алюминия. Если эксперимент удастся, через пару лет появятся первые прототипы сенсоров. А лет через десять, возможно, такие чипы будут в каждом холодильнике, которые определят испорченный сыр раньше, чем вы почувствуете запах.

Наука — это не про скучные формулы. Это про то, как запереть свет в наноклетке и заставить его работать на нас.

Такие дела.

Автор:Юрий Бражников

Источник: https://www.ferra.ru/review/techlife/singular-core.htm