Физики создали частотное зеркало

Физики научились обращать движение световых волн по частотному пространству, реализовав таким образом синтетическое зеркало. Для этого они двумя способами вносили дефекты в периодический по энергиям спектр резонатора, а также прикладывали к нему электрооптическую модуляцию на частоте, равной свободному спектральному диапазону. Возбуждая такой резонатор лазером, им удалось пронаблюдать интерференцию синтетических волн, а также их локализацию. Исследование опубликовано в Nature Communications.

С точки зрения математики движение тела — это просто изменение его координаты со временем. Точно так же может меняться и любая другая его величина: импульс, энергия и так далее. Со временем физики поняли, что движение в пространстве параметров, отличных от координат, (их называют синтетическими пространствами) можно использовать для симуляции каких-либо процессов или явлений. Например, с их помощью можно изучать поведение в пространствах, чья размерность превышает привычные три евклидовых измерения.

Синтетические размерности часто реализуют с помощью холодных атомов. Мы уже рассказывали, как с помощью вырожденных квантовых газов физики населяют одномерные и двумерные синтетические решетки. Оптические моды также отлично подходят для создания синтетических пространств благодаря большому числу степеней свободы, например, частоте, времени, орбитальному моменту и так далее.

Частотная область остается одной из самых популярных синтетических размерностей. Ученым уже удалось создать четырехмерные частотные кристаллы, увидеть дифракцию в частотном домене, пронаблюдать спектральные осцилляции Блоха и многое другое. Несмотря на это, никто пока не реализовывал такую простую операцию, как отражение в синтетическом частотном пространстве.

Исправить этот недостаток смогла группа физиков из Гонконга и США под руководством Марко Лончара (Marko Lončar) из Гарвардского университета. Ученые заставляли световую энергию перескакивать между различными модами оптического резонатора, разделенными на частотной шкале, получив таким образом движение по узлам синтетической периодической решетки. Для реализации синтетического зеркала они вносили дефекты в эту решетку двумя разными методами и наблюдали эффекты сложения падающих и отраженных волн.

Чтобы можно было создать синтетическое пространство для движения света, необходимо обеспечить большой диапазон доступных частот, обладающих некоторой трансляционной симметрией, а также условия для перехода от одной к другой. Для первого прекрасно подходят резонаторы, которые могут обладать целым набором собственных частот в широком диапазоне, разделенных некоторым частотным интервалом (свободным спектральным диапазоном). В своем эксперименте физики использовали кольцевой резонатор из тонкой пленки ниобата лития со свободным спектральным диапазоном, равным 10,5 гигагерц. Чтобы энергия перетекала между резонаторными модами, авторы прикладывали к резонатору электрооптическую фазовую модуляцию на этой же частоте. В частотном пространстве это выглядит как распространение световой энергии от некоторой начальной точки по синтетической решетке в обе стороны после возбуждения резонатора лазером.

Для реализации отражения физикам требовалось внести дефекты в синтетическую решетку. Другими словами, им требовалось нарушить периодичность энергий собственных мод резонатора. Первый способ, которым они этого добились, стало связывание мод, соответствующих различным поляризациям. Дело в том, что ниобат лития — это материал с двулучепреломлением. Это означает, что лучи с различной поляризацией будут обладать в нем различным показателем преломления. С точки зрения собственного спектра резонатора обоим случаям будет соответствовать различный свободный спектральный диапазон. В точках, когда частоты спектров разных поляризаций совпадают, их можно связать друг с другом, что приведет к смещению частот и, как следствие к нарушению периодичности синтетической решетки. Таким путем авторы добились отражательной способности зеркала, равной 0,944.

Второй способ основан на взаимодействии основного резонатора с дополнительным. Эффект также опирается на нарушении периодичности за счет перемешивания мод. Однако в этом способе физикам удалось добиться гибридизации более чем одной моды основного резонатора за счет того, что сила связи превышала его свободный спектральный диапазон. Такие синтетические зеркала обладали еще большей отражательной способностью, достигшей в эксперименте 0.999914.

Настраивая частотные зеркала, физики наблюдали, как набегающие на них синтетические волны отражаются и интерферируют сам с собой, формирую оптические гребенки. Кроме того, они смогли добиться локализации света в синтетическом пространстве, что может быть полезно для частотно-специфического проектирования спектра резонатора, защищенного от утечки энергии на другие частоты. Оптимизация частотных зеркал в перспективе сулит созданием синтетических резонаторов и даже фотонных кристаллов.

Синтетическими могут быть не только пространства, но и поля. Мы уже рассказывали, как синтетическое калибровочное поле вынудило звук преломляться отрицательно.