Известно, что когда лазерный луч достаточно интенсивен, он может взаимодействовать с воздухом. Это иногда приводит к весьма интересным эффектам. Согласно проведенным недавно вычислительным экспериментам, луч в таком случае может вести себя как газ, состоящий из квантовых частиц (фермионов), или как капли жидкости. Причем переключение между этими состояниями возможно при изменении интенсивности лазерного пучка.

Оптоволокно зачастую ограничивает возможности оптических коммуникаций, ведь у него есть свой собственный внутренний коэффициент преломления, замедляющий свет по сравнению с окружающей средой. В данном случае внутренний коэффициент преломления оказывается больше, чем у внешнего материала покрытия. В общем виде очень интенсивный пучок излучения в веществе ведет себя схожим образом: за счет выравнивания и искажения соседних молекул, в центре пучка показатель преломления оказывается выше, чем на краях. Этот фактор мешает свету распространяться по первоначально «задуманной» траектории. А, тем не менее, возможность отправки самофокусирующихся лазерных сигналов на большие расстояния могла бы быть важной, например, для оптического зондирования объектов.

Исследование взаимодействий между интенсивными пучками лазерного излучения и атмосферными газами является существенной практической проблемой. В 2009 году ученым из University of Bourgogne (Франция) удалось измерить в ряде атмосферных газов показатели преломления излучения в инфракрасном диапазоне для интенсивных пучков. Было обнаружено, что поначалу показатель преломления растет с ростом интенсивности; а после уровня в несколько десятков ТВт на квадратный сантиметр площади, значение показателя резко падает. Предыдущие теоретические исследования той же группы утверждали, что подобное поведение показателя преломления может привести даже к более интересным явлениям, чем самофокусировка (которая, как известно, сохраняется на достаточно коротких расстояниях). Световой импульс мог бы сохранять стационарную форму во всех направлениях в форме так называемых солитонов.

Проведенные впоследствии эксперименты помогли ученым использовать реальные значения в их теоретической модели. По итогам практических исследований была разработана новая модель и проведено вычислительное моделирование. Неожиданным результатом стало то, что в зависимости от интенсивности излучения, у получаемых солитонов были принципиально различные формы. Импульс с высокой интенсивностью порождал солитон с энергией, равномерно распределенной по площади поперечного сечения. Импульс более низкой интенсивности – солитон с максимумом плотности энергии в центре пучка.

Команда описывает обнаруженные явления как наличие некого эффективного «давления», направленного из центра пучка (тенденция, возможная благодаря оптическим явлениям, связанным с распространением луча). Для импульса высокой энергии давление и интенсивность математически походят на давление и плотность в жидкости. В результате свет «сжат» в некотором ограниченном пространстве, имеющем четкие границы. Для более низкой интенсивности излучения подходит математическая аналогия с газом незаряженных фермионов (в отличие от фотонов, эти частицы взаимодействуют друг с другом, согласно принципу Паули).

Стоит отметить, что идеи «жидкого» света уже высказывались командой ранее, а вот аналогия с фермионами применена впервые. Теперь наиболее интригующим явлением можно назвать фазовый переход между этими двумя состояниями. Наблюдение обнаруженного явления в лаборатории поможет ученым лучше понять феномен интенсивного лазерного излучения в воздухе, ведь этот комплекс явлений планируется использовать в будущем для передачи сигналов.

По материалам: