Предельно короткие оптические импульсы — длительностью на 15–18 порядков меньше секунды — позволяют с недостижимой другими способами скоростью управлять состоянием отдельных молекул и атомов. Поэтому они перспективны для создания сверхбыстрых оптоэлектронных и квантовых запоминающих устройств. Ранее InScience.News общался со специалистом в области оптики предельно коротких лазерных импульсов, кандидатом физико-математических наук и сотрудником ФТИ имени А. Ф. Иоффе Ростиславом Архиповым. Мы встретились с ученым вновь, чтобы узнать о новых открытиях в этом направлении.
— Недавно у вашей научной группы вышла статья, в которой вы рассматриваете возможность создавать микрополости в среде с помощью полуцикловых импульсов. Расскажите об этой работе подробнее. Как возникла ее идея?
— Идея работы возникла давно, когда мы начали изучать воздействие полуцикловых — длительностью всего в одну полуволну — импульсов на вещества. Тогда мы обнаружили необычное явление: если мы запускаем такие полуцикловые импульсы в среду, они приводят к возникновению пространственного распределения населенностей квантовых уровней среды. Проще говоря, в оболочках атомов этой среды определенным образом меняется распределение электронов.
— Как происходит сам процесс?
— С одной стороны мы запускаем в среду импульс, который ее возбуждает; с другой — противоположной — стороны запускаем встречный импульс. Прохождение этих двух импульсов создает периодическое распределение квантовых населенностей среды, так называемую решетку населенностей. В наших предыдущих исследованиях импульсы в пространстве не перекрывались, а в новой работе мы решили проверить, что будет, если такие импульсы столкнуть в среде. Оказалось, что в области, где импульсы встречаются, населенность квантовых уровней имеет практически постоянное значение. А на границах этой области она меняется скачком. Это значит, что формируется микрорезонатор, который условно можно сравнить с расположенными друг напротив друга зеркалами, которые создают «ловушку» для света, бесконечно перенаправляя луч друг на друга. Таким образом микрорезонаторы позволяют на микроскопическом уровне управлять светом.
Преимущество использования предельно коротких импульсов для создания микрорезонаторов состоит в том, что они позволяют формировать и менять такие структуры в среде за очень короткое время — порядка полупериода колебания волны. Если же рассматривать другие способы формирования подобных структур, то, когда мы их «записали», они остаются в среде надолго, и просто так мы не сможем изменить свойства резонатора. Для этого нужно менять технологию записи. А когда мы повторно сталкиваем импульсы в среде, свойства микрорезонатора меняются. Таким образом, с помощью предельно коротких импульсов мы можем быстро управлять свойствами среды.
— Насколько я помню, в прошлой работе вы исследовали похожие эффекты. В чем новизна теперешнего исследования?
— Оно стало логическим развитием предыдущей работы. В новой статье мы рассмотрели возможность управлять состоянием среды с помощью еще более коротких, полуцикловых импульсов. Кроме того, мы разработали детальную теорию, которая описывает, как в среде формируется микрорезонатор. Здесь мы еще и обнаружили, что изменения в среде сильно зависят от полярности импульсов. Так, если взять два импульса одинаковой полярности (условно, оба со знаками «плюс»), то эффекта практически нет. Если же полярность импульсов противоположная («плюс» сталкивается с «минусом»), то эффект будет значительный.
— В месте столкновение этих импульсов возникает, как я понимаю, своего рода микрополость? Расскажите, что это такое.
— Да, возникает некая полость — зона, где населенность квантовых уровней среды практически не меняется. На границах этой полости населенность меняется скачкообразно.
— Как изменения населенности квантовых уровней среды можно использовать на практике, например в оптических устройствах?
— Приложений очень много. Во-первых, это сверхбыстрое — аттосекундное — оптическое переключение. В основе обычной электроники лежат оптоэлектронные полупроводниковые устройства, то есть транзисторы. На сегодняшний день они уже достигли возможного предела как в отношении уменьшения размера, так и в отношении увеличения скорости работы. Использование предельно коротких импульсов позволяет создавать транзисторы, скорость которых в миллиарды раз выше, чем у обычных полупроводниковых транзисторов. То есть, во-первых, такие структуры демонстрируют нам возможность быстро переключать состояние среды. Во-вторых, такие резонаторы могут использоваться как оптические ловушки для коротких импульсов. Импульсы, попадая в такие ловушки, могут там какое-то время храниться. Таким образом, это может лечь в основу запоминающих элементов.
— Есть ли еще какие-то новые направления, которые ваша научная группа развивает?
— Пока мы сфокусировались на создании микрорезонаторов и улучшении их свойств. Дело в том, что у резонаторов есть такая характеристика, как добротность. Проще всего будет объяснить смысл этой величины на примере обычного маятника. Так вот, в случае маятника добротность показывает, сколько полных колебаний прибор сможет совершить до того, как они значительно затухнут. Если добротность условно равняется миллиону, то это значит, что осциллятор (маятник) совершит миллион колебаний до того, как затухнет. Если добротность равна трем, то будет всего три колебания. Для микрорезонаторов, которые должны удерживать свет, нужна очень высокая добротность. И, как показывают наши расчеты, можно достичь добротности, равной десяткам тысяч. Это сравнимо с тем, что делают на сегодняшний день другими способами.
Но микрорезонаторы — это лишь одно из направлений оптики униполярных импульсов. Нас же в целом интересует развитие всей области. При этом она имеет много связей с другими сферами и направлениями современной физики. Например, с аттосекундной физикой, поскольку здесь мы используем именно импульсы аттосекундной длительности — на 18 порядков короче секунды. Другое интересное направление, непосредственно связанное с нашим, — физика пространственно-временных фотонных кристаллов. Это физика материалов, преломляющие свойства которых меняются быстро в пространстве и времени. То есть там происходит практически та же ситуация, которую я описывал, когда мы с помощью импульсов быстро меняли распределение населенностей атомов. Таким образом, оптика униполярных импульсов включает в себя много разных направлений.
— Также у вас недавно вышел обзор по методам получения полуцикловых предельно коротких импульсов. Расскажите об этой работе.
— Сам вопрос получения таких импульсов долгое время оставался без внимания. Если вспомнить классические учебники по физике и оптике, то ни в одном из них вы не найдете ничего про униполярные импульсы. Везде рассматриваются только многоцикловые импульсы, состоящие из большого количества полуволн. Униполярный импульс — это предел сокращения этой волны: он представляет собой всего одну полуволну. Долгое время существование таких импульсов вообще подвергалось сомнению, но даже после того, как появились работы, которые показали, что теоретически их можно получить, задача получить их не стояла. Она появилась буквально в последнее десятилетие, в частности — в работах нашего коллектива.
В целом уже много разных способов предложено. Например, в прошлом году мы предложили получать такие импульсы с помощью вложенных квантовых ям. Это такие системы, в которые запускается электрон, там он «бегает» между стенками, отскакивает от них и испускает униполярный световой импульс. Также можно использовать для их получения два разных импульса: первым запускать в среде колебания, а вторым — идущим с небольшой задержкой — останавливать их. На выходе из среды таким образом удается получить полуволну или импульсы необычной формы — прямоугольной и треугольной.
— Много ли в мире научных коллективов, которые занимаются оптикой предельно коротких импульсов?
— Фемтосекундными и аттосекундными многоцикловыми импульсами, разумеется, занимается множество коллективов. А оптикой униполярных полуцикловых импульсов, к сожалению, нет, так как это довольно новая область. Очень известна одна экспериментальная группа, которая получила квазиуниполярные аттосекундные импульсы и исследовала их влияние на связывание электронов в атомах. В работе 2016 года они показали, что такие импульсы могут эффективно возбуждать квантовые системы. Но на самом деле авторы тогда получили не полностью униполярный импульс — он был немножко больше полуволны, у него был осциллирующий «хвостик». Поэтому его и называют квазиуниполярным импульсом. Насколько мне известно, только в последние годы стали появляться новые работы. Направление новое, надеюсь, что оно в дальнейшем будет развиваться, и мы всячески этому способствуем.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
