Light: Science & Application: Открытие поможет применять волоконные лазеры

Сложные системы, такие как климатические, экологические и сетевые, могут находиться в разных состояниях из-за множества взаимодействующих элементов. Их поведение обычно случайно и беспорядочно.

Например, погода может быть солнечной, облачной или дождливой из-за сложных взаимодействий между солнечной радиацией, рельефом местности и океаническими течениями.

Из-за того, что эти факторы постоянно меняются и влияют друг на друга, предсказать поведение климата трудно. Например, формирование и траектория шторма зависят от множества условий: температуры океана, скорости ветра, атмосферного давления. Поэтому прогнозировать погоду сложно. Учёные по всему миру пытаются найти закономерности в поведении сложных систем.

Магнитные спиновые стёкла, открытые в начале 1970-х годов, стали основой для изучения сложных систем. Они используются для экспериментального и численного моделирования, которое позволяет описывать и предсказывать поведение сложных систем.

Джорджио Паризи ввёл концепцию нарушения симметрии реплик в системах магнитных спиновых стёкол. Он обнаружил взаимодействие беспорядка и флуктуаций в физических системах разных масштабов и выявил скрытые симметрии в сложных системах. За это он получил Нобелевскую премию по физике в 2021 году.

Случайные лазеры, благодаря уникальным механизмам обратной связи и усиления, демонстрируют сложную динамику. Они становятся ключевым компонентом в исследовании теории спинового стекла.

Учёные наблюдали явления оптического стеклообразного фазового перехода в случайных лазерах. Изучение фотонных фазовых переходов с их помощью привлекло большое внимание.

В новой работе, опубликованной в журнале Light: Science & Application, группа ученых под руководством профессора Зинан Ванга из Китайского университета электронной науки и техники, профессора Андерсона С. Л. Гомеса и профессора Эрнесто П. Рапосо из Федерального университета Пернамбуку и соавторов исследовала глубинные механизмы фотонных фазовых переходов в одномерных системах рэлеевского рассеяния, создав модели рэлеевского рассеяния-фазовых переходов.

Они успешно установили всестороннюю связь между численными исследованиями и экспериментальными явлениями, раскрыв уникальные законы, управляющие фотонными фазовыми переходами в таких системах.

Эти ученые кратко излагают конкретные инновации и последствия своей работы следующим образом:

1. В этой работе предполагается, что выходные характеристики случайных волоконных лазеров зависят от рэлеевского рассеяния внутри волокна.
   С помощью phi-OTDR и запатентованных технологий предложена модель рэлеевского рассеяния-фазовых вариаций для нарушения симметрии реплики в таких лазерах. Это позволило теоретически предсказать граничные параметры фотонных фазовых переходов в них и лучше понять их внутренние механизмы.
2. 2. В работе показано, что фотонные фазовые переходы в случайном волоконном лазере похожи на то, как температура и беспорядок влияют на взаимодействие спинов в магнитной фазе спинового стекла.
   Фотонные фазовые переходы происходят при изменении энергетического ландшафта системы, когда флуктуации фазы рассеивающих элементов стабильны. Но внешние факторы могут вызывать флуктуации, которые нарушают взаимодействие между модами и препятствуют фотонным фазовым переходам.
   Это исследование — важный шаг к пониманию универсальных механизмов фазовых переходов в сложных системах.
3. Мы предсказали и экспериментально обнаружили явление модовой асимметрии в случайном волоконном лазере. Асимметрия основана на рэлеевском рассеянии. Это открытие расширяет понимание фотонных фазовых переходов и помогает лучше понять, как работают сложные системы.
   Исследуя связи между фазовыми переходами и эволюцией мод в случайном волоконном лазере, мы обнаружили, что под влиянием механизмов обратной связи и усиления моды ведут себя по-разному.
   В режимах с когерентной рэлеевской обратной связью возникают сильные нелинейные взаимодействия, которые приводят к метастабильным состояниям. В результате происходит фотонный парамагнитный фазовый переход в спиновое стекло.
   Режимы с некогерентной рэлеевской обратной связью не имеют нелинейных взаимодействий и остаются в парамагнитном состоянии.

Эта работа изучает принципы фотонных фазовых переходов с помощью теории, моделирования и экспериментов.

Доказано, что случайные волоконные лазеры на основе рэлеевского рассеяния — идеальная платформа для предсказания, наблюдения и управления этими переходами. Это открытие важно для материаловедения, нейронных сетей, квантовой информации и других сложных систем. Оно также может продвинуть применение случайных волоконных лазеров в мощных лазерных устройствах.

26.09.2024