Международная команда ученых разработала первый в мире антилазер для нелинейного бозе-конденсата ультрахолодных атомов. Они впервые продемонстрировали возможность полного поглощения выбранного сигнала, даже если нелинейная система затрудняет предсказание волнового поведения.

Результаты этого исследования могут быть использованы для манипуляции потоком сверхтекучих жидкостей, создания атомных лазеров, а также для изучения нелинейных оптических систем. Работа опубликована в журнале Science Advances.

Для успешной передачи информации требуется полное погашение выбранного электромагнитного сигнала без какого-либо отражения. Это может произойти, только когда параметры электромагнитных волн и окружающей их системы когерентны друг с другом. Приборы, предоставляющие последовательное идеальное поглощение волны при этих параметрах, называются антилазерами. На протяжении нескольких лет их использовали в оптике — например, для создания высокоточных фильтров или сенсоров. Работа стандартных антилазеров основана на деструктивной интерференции волн, попадающих на поглотитель. Если параметры падающих волн определенным образом совпадают, их взаимодействие приводит к идеальному поглощению с нулевым отражением.

Однако до недавнего времени было не ясно, возможно ли такое поглощение в нелинейной системе, такой как оптическое волокно, передающее высокоинтенсивный сигнал в сильном внешнем электромагнитном поле. Проблема заключается в том, что описать взаимодействие падающих волн, распространяющихся в нелинейной среде, гораздо сложнее. В то же время нелинейные системы могут контролировать частоту и форму волны без потери энергии. Это может быть полезным при различении сигнала в оптических компьютерах. Но дело в том, что нелинейные системы часто оказываются нестабильными, из-за чего порой сложно предугадать их поведение.

Приближение когерентного потенциала в конденсате Бозе – Эйнштейна, находящегося в оптической пространственной решетке / Университет ИТМО

Ученые из России, Германии и Португалии стали первыми, кто соорудил антилазер для волн, распространяющихся в нелинейной среде. В своих экспериментах они использовали бозе-конденсат ультрахолодных атомов. Конденсат Бозе — Эйнштейна — определенное состояние материи, при котором атомный газ охлаждается почти до полного нуля. Газ, содержащий около 50 тысяч атомов, при таких условиях конденсирует. Следовательно, все атомы формируют когерентное облако, поддерживающее распространение волн материи. Из-за сильных отталкивающих взаимодействий между конденсированными атомами система приобретает нелинейные свойства. К примеру, взаимодействие волн перестает подчиняться законам линейной интерференции.

Чтобы поймать конденсат, ученые применили периодическую оптическую ловушку, сформированную пересечением двух лазерных лучей. При применении сфокусированного электронного луча к центральной клетке пространственной решетки атомы начинают «вытекать» из нее. Атомы из соседних клеток направляются в центральную, пытаясь устранить течь. В результате в конденсате формируются два потока сверхтекучей материи, направленных к центру. Как только потоки сталкиваются в центральной клетке, они абсорбируются — идеально и без отражения.

«Законы, описывающие распространение волн в разных средах, универсальны. Следовательно, нашу идею можно адаптировать к работе антилазера с другими нелинейными системами. Например, в нелинейных оптических волноводах или конденсатах квазичастиц, таких как поляритоны и экситоны. Эту концепцию также можно использовать для работы с нелинейными акустическими волнами. Так, вы можете соорудить устройство, поглощающее звук на определенной частоте. Несмотря на то что такие устройства создадут не скоро, мы показали, что они возможны», — отмечает исследователь Дмитрий Зезюлин, член Международной научной лаборатории фотопроцессов в мезоскопических системах при Университете ИТМО.

Сейчас ученые планируют перейти к работе с оптическими системами, в которых атомы заменяются фотонами.

«В отличие от атомов, фотоны сложно долго удерживать в системе. Однако в этом проекте мои коллеги сумели заставить нелинейную атомную систему вести себя так, будто она состоит из фотонов. В то же время они смогли осуществить идеальное поглощение в таких условиях. Это означает, что эти процессы также возможны в нелинейных фотонных системах», — объясняет Иван Иорш, глава Международной научной лаборатории фотопроцессов в мезоскопических системах при Университете ИТМО.