Физик Городецкий закрутил свет одиночной волной в шепчущей галерее

Коллаборация ученых из России, США и Франции значительно продвинула исследования в области оптических микрорезонаторов. Особый режим работы приводит к самоорганизации света в резонаторе и созданию коротких одиночных возбуждений — солитонов. О возможных применениях и будущих перспективах данных разработок рассказывает обзорная статья, опубликованная в журнале Science. С ее препринтом можно ознакомиться на сайте Arxiv.org, принадлежащем Библиотеке Корнелльского университета. В повседневной жизни мы часто сталкиваемся с эффектом шепчущей галереи: стоя на разных концах круглого помещения, два человека могут перешептываться друг с другом. Такое явление было впервые изучено лордом Рэлеем в 1910 году в соборе Святого Павла в Лондоне, а жители Москвы могут всегда проверить его существование на станции метро Маяковская. Звуковая волна, отражаясь от стен, может следовать по кругу и даже возвращаться обратно к своему источнику. По такому же принципу работают оптические микрорезонаторы — это шепчущие галереи, но для света. Прозрачные диски или сферы размером в несколько десятков микрометров «запирают» свет внутри, заставляя его распространяться по кругу. Чтобы понять, как они работают, опять обратимся к звуку. Представим себе натянутую гитарную струну. Она закреплена в двух местах и образует стоячую волну равную ее удвоенной длине. Это первая мода струны — один из возможных типов ее колебаний или, иначе, количество длин волн, укладывающихся на ее протяженности. Если мы тронем струну, то мода изменится — длина волны станет равна струне, либо ⅔, либо вообще половине. Аналогичный процесс происходит и в микрорезонаторе, за исключением того, что струна здесь превращается в окружность. Высокая интенсивность света, «запертого» в микрорезонаторе, приводит к образованию различных мод шепчущей галереи с разными частотами. А определяются они следующим образом — возвращаясь в исходную точку окружности, волна должна переходить сама в себя. Таким образом, излучение в микрорезонаторе переходит в набор из большого количества волн с частотами, отличающимися на постоянную величину. Иными словами, одна мощная мода в резонаторе порождает много-много других мод. Излучение с такой структурой называется оптической гребенкой. За изучение подобных состояний света в 2004 году была присуждена Нобелевская премия. Оптические гребенки удобны для большого количества применений (оптические часы, метрология, оптические линии связи или даже поиск экзопланет), а оптические микрорезонаторы являются компактным и качественным «хардвером» для создания подобных приборов. Идеальная оптическая гребенка представляет собой максимально короткий импульс света, повторяющийся через точно определенные промежутки времени. Тем не менее, наличие большого количества частот в микрорезонаторе еще не означает создания качественной оптической гребенки. Рассинхронизация различных частот приводит к большому шуму и низкому качеству состояния света. При непосредственном участии сотрудника Российского квантового центра Михаила Городецкого было сделано открытие, позволившее обойти эту проблему. За счет возбуждения оптического микрорезонатора светом на определенной длине волны, оптические волны с различными частотами начинают самоорганизовываться, образуя короткий уединенный импульс света длительностью около 100 фемтосекунд, распространяющийся по кругу — солитон. Это позволяет создавать качественные и стабильные оптические гребенки с широким спектром (большим набором гармоник). Если бы такой же процесс произошел в шепчущей галерее, то это бы звучало как абсолютно беспорядочный шум, постепенно превращающийся в один периодически повторяющийся громкий хлопок. Исследования солитонов в оптических микрорезонаторах активно развиваются, и в данный момент перед учеными стоит большое количество задач. Необходима разработка новых материалов с заданными параметрами для более эффективной работы подобных устройств. Также очень важна возможность интеграции оптических микрорезонаторов в оптические микросхемы для создания компактных систем. Интересно, что первое задокументированное наблюдение солитона датируется 1834 годом: Джон Скотт Рассел увидел одиночную волну в канале и долго ее сопровождал верхом на лошади.