Помните фразу «это физика, её не обманешь»? А вот учёные из ИТМО с зарубежными коллегами обманули. Они создали сингулярность, которая не разрушает мир, а спасает его: ловит вирусы, ускоряет интернет и следит за чёрными дырами. Как российские учёные заперли свет в наноловушке — читайте тут.
Представьте себе мир, где свет становится инструментом для прорывов. Так вот, наши учёные вместе с коллегами из Китая и Европы, похоже, приблизились к этому.
Они сумели создать новый вид оптической сингулярности — исключительные связанные состояния в континууме — и обещают, что на этой основе будут создаваться крутейшие датчики для медицины, оптические транзисторы и даже переключатели для будущего интернета.
Звучит сложно, но давайте попробуем разобраться.
Что такое оптическая сингулярность?
Для начала разберёмся, что же такое сингулярность. Обычно, если слышишь это слово, сразу вспоминается чёрная дыра, где законы физики как будто перестают работать, а математические формулы стремятся к бесконечности. Но в мире оптики история совсем другая.
pikabu.ru
Здесь речь идёт не про космос, где гравитация рвёт звёзды на части. Это про точку, где два луча света (оптических резонанса) вдруг сливаются в один, как два голоса в хоре, которые внезапно звучат в унисон.
Такое слияние вызывает резонансные эффекты, благодаря которым система становится невероятно чувствительной к малейшим изменениям внешней среды (грубо говоря, чуть сдвинешь эквалайзер — и всё зазвучит совсем по-другому).
Открытая система и континуум
Чтобы понять особенности всего, что происходит, нужно немного углубиться в тему закрытых и открытых систем.
shortanswers.ru
В закрытых системах энергия остается внутри, как в герметично запертом контейнере, где никто и ничего не выбивается наружу. А вот открытые системы (или неэрмитовыe) способны обмениваться энергией с окружающим миром.
Именно в таких системах и наблюдаются интересные эффекты, как, например, появление тех самых исключительных точек — состояний, когда резонансы сливаются, а их параметры становятся идентичными. Исключительными их назвали потому, что для света такое провернуть очень сложно — длина волны-то очень маленькая.
Тут ещё стоит немножко сказать про лазеры, ведь они тоже по своей сути резонаторы. Проще говоря, это своеобразные ловушки для света, которые усиливают и направляют световые волны в нужном направлении.
В лазерах свет колеблется туда-сюда между двух зеркал
bibliofond.ru
Кроме лазеров такое есть и в интерферометрах — помимо прочего их ещё применяют для регистрации гравитационных волн, а также в медицинских сенсорах, которые способны определять наличие вирусов и биомаркеров заболеваний с поразительной точностью.
Интерферометр Майкельсона cостоит из зеркала, который делит входящий луч на два, которые в свою очередь, отражаются зеркалом обратно. Такой принцип лежит в основе современных гравитационных антенн
Experimente Physikalisches Institut
А если правильно сконструировать систему, можно уловить даже отдельные молекулы!
И ведь учёные и раньше-то получали исключительные точки, только вот они быстро исчезали — как и лазер, они не изолированы от внешнего мира (континуума) и излучают в этот внешний мир энергию. А с таким особо не поработаешь, никаких там точных измерений или оптических переключателей.
ferra.ru
Учёным пришлось долго искать компромиссное решение: как сохранить сверхчувствительность сингулярности, но при этом защитить её от нежелательных потерь.
Как подружить несовместимое?
Ответ нашелся в том, что на первый взгляд казалось невозможным.
Учёные из ИТМО решили, что надо объединить два связанных состояния в континууме так, чтобы получилась одна стабильная исключительная точка, которая, несмотря на общение с внешним миром, не «теряет» энергию.
Идея кажется почти безумной — ведь раньше все думали, что это невозможно: чтобы система и не излучала энергию, и при этом была открытой для обмена ею с окружающей средой.
Исключительные связанные состояния в континууме (BIC). Слева: две ловушки (BIC) связаны между собой (k). Они не излучают свет наружу. Когда связь между ними слабая (κ = 0), их «вибрации» (частоты) совпадают. Справа: у одной ловушки появились «утечки» энергии. Учёные нашли баланс: когда связь (κ) компенсирует эти утечки (γ_int / 2), система становится суперстабильной. Свет остаётся в ловушках, даже если они открыты для внешнего мира
Adrià Canós Valero, Zoltan Sztranyovszky, Egor A. Muljarov, Andrey Bogdanov, Thomas Weiss
Вот тут начинается самая крутая часть: они создали своего рода «защитный кокон», в котором резонанс остается стабильным и сверхчувствительным даже при минимальных внешних воздействиях.
Для этого они сделали невозможное, ввели дополнительный канал потерь — специально создали «безызлучательный» путь, куда уходила часть энергии в виде тепла.
Для этого нужно было выполнить одновременно два противоречивых друг другу условия. Первое — чтобы система не теряла энергию, а второе — чтобы потери всё же оставались. Это создавало фундаментальное противоречие. Нам удалось его обойти, введя дополнительный канал потерь. На первый взгляд, это тривиальное допущение, но оно кардинально меняет подход к вопросу. Мы учли, что энергия может не только излучаться во внешнее пространство, но и поглощаться самим материалом. Это простое допущение полностью переворачивает картину и позволяет объединить два связанных состояния в континууме в одну исключительную точку.
Андрей Богданов
Это позволило «подружить» два ранее несовместимых явления — связанность состояний и устойчивость исключительной точки.
## Ловушки для света
Давайте немного углубимся в технические фишки. Для реализации этой идеи потребовались сверхточные конструкции — диэлектрические метаповерхности.
Исключительные связанные состояния в континууме. Два слоя нанодисков радиусом 150 нм, высотой 50 нм и периодом 400 нм — верхний слой дисков сделан из материала, который слегка «поглощает» свет, нижний слой идеально прозрачен. Когда свет попадает в эту структуру, он начинает «танцевать» между слоями: либо синхронно, либо в противофазе. В результате возникают два типа состояний: симметричное — свет колеблется одинаково в обоих слоях. и антисимметричное — свет в одном слое гасит свет в другом. Оба состояния не излучают свет наружу — как будто фотоны заперты в невидимой клетке.
Adrià Canós Valero, Zoltan Sztranyovszky, Egor A. Muljarov, Andrey Bogdanov, Thomas Weiss
Проще говоря, это тоненькие пластины, которые сделаны из кремния, где каждый элемент — маленький диск размером в 150 нанометров. Для сравнения: это примерно в 500 раз меньше толщины человеческого волоса!
Эти пластины умеют ловить свет, при этом аккуратно концентрируют его в определённой области, чтобы фотоны не улетучивались в пустоту. А когда вы располагаете две такие пластины на расстоянии около 240 нанометров, резонансы начинают «общаться» и в нужный момент сливаются в одну стабильную исключительную точку.
Метаповерхность — это ультратонкий материал с наноразмерными элементами (вроде микроскопических столбиков или отверстий), которые искусственно «программируются» для управления светом. Такие поверхности могут делать с лучами что угодно: фокусировать, искривлять, фильтровать…
ferra.ru
Всё это должно быть тонко настроено: точность изготовления метаповерхностей, контроль расстояния между ними и даже преднамеренное введение неровностей — всё это здесь очень решает.
Вот поэтому экспериментаторы используют численное моделирование, чтобы просчитать каждый нюанс конструкции. Если сойти с правильного пути, то два резонанса либо не встретятся, либо сразу разлетятся, как шайбы на льду.
От медицины до космических исследований
Что же можно делать с этой технологией? На самом деле дофига всего.
Прежде всего, это создание ультрачувствительных оптических сенсоров. Так можно обнаружить не просто большое количество вирусов, а даже одного-единственного возбудителя заболевания, например, ковид. Это значит, что диагностика болезней может стать настолько точной (и быстрой), что можно будет диагностировать проблему на самом раннем этапе.
Человек только чихнул — и телефон сразу пишет, что это может быть.
ferra.ru
В будущем фотоника обещает заменить электроны в процессорах, потому что фотоны летят со скоростью света. Операции выполняются мгновенно, а затраты энергии сведены к минимуму — без тепла и лагов. Игры в 8К? Нейросети, решающие задачи за секунды? Легко!
Оптические транзисторы, переключатели и модуляторы, которые построены на этой технологии, смогут стать основой для интернета следующего поколения, где скорость передачи данных выйдет на принципиально новый уровень.
Сингулярности могут стать «повторителями» для квантовой связи — так ваши сообщения нельзя будет подслушать даже теоретически.
ferra.ru
И ещё один важный момент: улучшение лазерных интерферометров, типа LIGO. Они и сейчас весьма точны, но с новыми технологиями стабильность и чувствительность устройств возрастёт настолько, что мы сможем фиксировать даже самые слабые гравитационные волны, которые находят слияния чёрных дыр и всякое другое.
Kазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория состоит из двух обсерваторий, удалённых друг от друга на 3002 километра
Wikimedia Commons
Путешествие в будущее
В заключение хочется сказать: если раньше мы думали, что сингулярности — это удел далёких космических объектов и чёрных дыр, то современные исследования дают нам совершенно новый взгляд на эту тему. Тут, может быть, и зарождается новая эра в оптике и фотонике.
Это не просто очередной научный факт, которые иногда открывают учёные для учёных. Наука способна удивлять и вдохновлять, даже если речь идёт о такой, на первый взгляд, сухой и непонятной теме, как резонансы и сингулярности.
multiwork.org
Наши учёные с зарубежными коллегами доказали, что в казалось бы парадоксальных условиях возможно создание устойчивых оптических сингулярностей, которые объединяют в себе два противоречивых явления. Когда в ИТМО взялись за такой эксперимент, они показали, что иногда, чтобы двигаться вперёд, нужно рискнуть и сделать шаг в никуда.
Сейчас команда печатает наноплёнки в лаборатории Циндао как пиццу, но вместо теста — кремний и нитрид алюминия. Если эксперимент удастся, через пару лет появятся первые прототипы сенсоров. А лет через десять, возможно, такие чипы будут в каждом холодильнике, которые определят испорченный сыр раньше, чем вы почувствуете запах.
Наука — это не про скучные формулы. Это про то, как запереть свет в наноклетке и заставить его работать на нас.
Такие дела.