Университет ИТМО. Оптические диссипативные топологические трехмерные солитоны

Новый тип солитонов можно будет использовать в астрофизике и медицине

Ученые Университета ИТМО предсказали новый тип локализованных структур — оптических диссипативных топологических трехмерных (3D) солитонов. Важность работы в том, что полученные результаты можно использовать в фундаментальных и прикладных исследованиях: для описания космических макрообъектов, для локализации микро- и наноструктур в медицине и для множества других. Результаты научной работы были опубликованы в наиболее авторитетном профессиональном журнале физиков — Physical Review Letters, в разделе «Рекомендации редакции», в который попадает только шестая часть публикуемых в журнале статей.

Обычные волновые структуры со временем расплываются, как круги на воде. Световые пучки и импульсы в однородной среде расходятся из-за дифракционного или дисперсионного расплывания. Компенсировать это расплывание может фокусировка излучения нелинейной средой. «Консервативные» оптические солитоны — это устойчивые световые волны, локализованные вследствие баланса линейного расплывания и нелинейного сжатия в прозрачной нелинейной среде, в которой потери излучения пренебрежимо малы, а приток энергии отсутствует. Особенностью консервативных солитонов в том, что они существуют целыми семействами, например, с пространственными размерами, которые могут непрерывно меняться в определенном интервале значений.

Принципиально другими свойствами обладают предсказанные и исследованные ранее авторами статьи в Physical Review Letters диссипативные оптические солитоны. Они реализуются за счет баланса притока и оттока энергии в области локализации. А этот баланс возможен не при любых размерах солитона, а только для дискретного набора этих значений. Другими словами, диссипативные солитоны, в отличие от консервативных, «откалиброваны».

«Почему такие структуры важны? Когда „консервативный“ солитон движется по оптоволокну, то из-за искривлений волокна и прочих шумов параметры солитона (в том числе его размеры) меняются. А диссипативные солитоны из-за их „калиброванности“, гораздо устойчивее к этим шумам. Но за это нужно платить цену: непрерывно подводить энергию. Благодаря повышенной устойчивости эти солитоны можно использовать и для обработки информации: если солитон есть, то это „1“, если нет — то „0“. Распространение массива солитонов тогда будет означать передачу массива информации», — поясняет руководитель международной лаборатории Университета ИТМО «Нелинейно-оптическая информатика», профессор, член-корреспондент РАН Николай Розанов.

Университет ИТМО. Николай Розанов
Университет ИТМО. Николай Розанов
Диссипативные оптические солитоны также весьма разнообразны. В том числе, существуют топологические солитоны с вихревым движением энергии, которые еще более устойчивы к шумам. Ученые Университета ИТМО нашли условия, при которых в лазерной среде может возникать новый тип топологического солитона, который вращается и может процессировать, оставаясь локализованным и устойчивым.

Если проводить аналогии, то открытие нового типа устойчивых локализованных структур света можно сравнить с обнаружением новой элементарной частицы. Аналогия оправдана и «калиброванностью» диссипативных оптических солитонов (как и у элементарных частиц). Использовать разработанные учеными подходы можно и в других сложных неравновесных системах, в которых есть отток и приток энергии.

«Также всерьез можно говорить о реальности родственных структур в астрофизике в нейтронных звездах и черных дырах и о природе тайфунов как диссипативных солитонов. Оптические структуры найденного типа можно использовать для локализации и для „закрутки“ микро- и наночастиц в схемах так называемого оптического пинцета, который применяется в биологических и медицинских исследованиях», — сказал Николай Розанов. (Оптический пинцет или «оптическая ловушка» позволяет манипулировать микроскопическими объектами с помощью лазерного излучения — прим. ред.)

Статья: N. A. Veretenov, N. N. Rosanov, and S. V. Fedorov (2016), Rotating and Precessing Dissipative-Optical-Topological-3D Solitons, Physical Review Letters.

Редакция новостного портала
Архив по годам:
Пресс-служба