Идеальное поглощение волн без отражения происходит, только когда параметры волн и системы когерентны, то есть соответствуют друг другу. Устройства, обеспечивающие идеальное когерентное поглощение волны с заданными параметрами, называют антилазерами. Их уже несколько лет используют в оптике, например, для создания высокоточных фильтров или сенсоров. Работа стандартных антилазеров основана на деструктивной интерференции волн, падающих на поглотитель. Если параметры падающих волн согласованы определенным образом, то при взаимодействии они поглощаются с нулевым отражением.
Однако до сих пор было неясно, возможно ли такое поглощение в нелинейных системах, поскольку описать взаимодействие падающих волн в них намного сложнее. В то же время нелинейные системы интересны тем, что позволяют управлять частотой волны и формой светового пучка без потери интенсивности света. Это может пригодиться для создания оптических компьютеров. Но проблема в том, что нелинейные системы часто оказываются неустойчивыми и предсказать их поведение бывает тяжело.
Изучая эту проблему, ученые из России, Германии и Португалии смогли впервые получить антилазер для волн, распространяющихся в нелинейной среде. В экспериментах ученые использовали конденсат Бозе-Эйнштейна из ультрахолодных атомов. Это особое состояние, в которое переходит вещество при охлаждении до экстремально низких температур, близких к абсолютному нулю. В таких условиях газ, содержащий примерно 50 тысяч атомов, «конденсируется». Это значит, что все атомы начинают вести себя как одно облако, в котором могут распространяться волны. При этом сильные взаимодействия атомов конденсата приводят к появлению в системе нелинейных свойств. Например, взаимодействие волн перестает подчиняться законам линейной интерференции.
Чтобы «поймать» конденсат, ученые использовали периодическую оптическую ловушку, образованную пересечением двух лазерных лучей. Если облучить пучком электронов центральную ячейку такой ловушки, атомы из этой ячейки будут «утекать» из системы. При этом атомы из соседних ячеек будут направляться к центральной ячейке, «стремясь» восполнить утечку. В результате в конденсате образуются два потока вещества, направленных к центру. В центральной ячейке они встречаются и поглощаются идеально, то есть без отражения.
«Законы, описывающие распространение волн в различных средах, универсальны. Поэтому нашу идею можно адаптировать для реализации антилазера в других нелинейных системах. Например, в нелинейных оптических волноводах или в конденсатах квазичастиц, таких как поляритоны и экситоны. Также эту концепцию можно использовать при работе с нелинейными акустическими волнами. Например, можно сделать устройство, которое будет поглощать звук определенной частоты. Конечно, до этого еще далеко, но мы показали, что такая возможность реальна», — отмечает один из авторов статьи Дмитрий Зезюлин, сотрудник Международной лаборатории фотопроцессов в мезоскопических системах Университета ИТМО.
На следующем этапе работы ученые планируют перейти к рассмотрению нелинейных оптических систем, где вместо атомов будут фотоны.
«Фотоны, в отличие от атомов, трудно долго удерживать в системе. Однако в этой работе коллегам удалось заставить нелинейную атомную систему вести себя так, будто она состоит из фотонов. При этом у них получилось реализовать идеальное поглощение в таких условиях. Это значит, что в нелинейных фотонных системах такие процессы тоже возможны», — добавляет Иван Иорш, руководитель Международной лаборатории фотопроцессов в мезоскопических системах Университета ИТМО.
Статья: Coherent perfect absorption of nonlinear matter waves. Andreas Müllers, Bodhaditya Santra, Christian Baals, Jian Jiang, Jens Benary, Ralf Labouvie, Dmitry A. Zezyulin, Vladimir V. Konotop, Herwig Ott. Science Advances 10 Aug 2018: Vol. 4, no. 8, eaat6539. DOI: 10.1126/sciadv.aat6539
