Итальянские ученые нашли среду с преимущественным направлением распространения света
Обычно электромагнитные волны, коими и является свет, не выбирают направление для своего распространения. Они распространяются одинаковым образом, как справа налево, так и слева направо. Однако теоретическая работа, опубликованная недавно в журнале Physical Review Letters, предложила изощренный способ формирования среды, в которой луч свободно распространяется лишь в одном направлении. Идея заключается в использовании несимметричного расположения так называемых нелинейных материалов, где амплитуда электромагнитной волны влияет на скорость ее распространения. Предложенная «конструкция» могла бы найти применение в широком диапазоне отраслей от квантовых компьютеров до создания звукоизолирующих материалов.
Исследователи потратили много времени на то, чтобы заставить световую электромагнитную волну предпочитать какое-то одно направление распространения, ведь это первый шаг к созданию диода для светового сигнала. Однако в линейных средах этот эффект «запрещен» так называемой теоремой взаимности, известной уже много лет, гласящей, что идентичные волны в линейной среде ведут себя одинаково, вне зависимости от направления.
Ранее экспериментаторы уже пытались «обойти» теорему взаимности при помощи периодических наноструктур (фотонных кристаллов). Но принцип действия этих систем был основан на генерировании кристаллом света с частотой в два раза превышающей первоначальную волну. Эта так называемая вторая гармоника могла распространяться только в одном направлении, но основная волна распространялась в обе стороны, вне зависимости от направления, позволяя большей части световой энергии проходить через «барьер».
Другой подход к решению этой проблемы заключается в использовании нелинейных материалов, к примеру, специализированных пластиков или стекол, в которых интенсивность света влияет на скорость его распространения и другие характеристики. Как только в игру вступают нелинейные среды, многие постулаты, даже очевидные, перестают действовать. Этим и воспользовалась группа исследователей из Italian National Research Council Institute for Complex Systems и University of Insubria (Италия) для преодоления ограничений теоремы взаимности. Ученые смоделировали распространение электромагнитных волн в нелинейной среде при помощи дискретного нелинейного уравнения Шредингера (Discrete Nonlinear Schr?dinger equation, DNLS), простейшей математической модели, «поддерживающей» нелинейность. Данная модель была выбрана благодаря своей изученности в самых различных областях, от оптики до атомной физики, кроме того, она позволяет найти решение для одной единственной волны.
Исследователи предложили ситуацию, в которой волна распространяется в одном направлении через серию тонких пластин, представляющих собой линейные среды с двумя нелинейными листами в средине. При решении уравнения Шредингера для этой системы, для двух нелинейных областей были заданы немного отличающиеся параметры, чтобы сделать «препятствие» ассиметричным. Решение уравнения показало, что электромагнитные волны хорошо проходят через эту систему, когда их частота совпадает с «резонансным» значением для нелинейной среды. Но, как в случае со многими нелинейными средами, это «резонансное» значение зависит от амплитуды волны, и эта зависимость различается для прямого и обратного направлений распространения света (из-за заложенной в систему асимметричности). Таким образом, если волны с одинаковыми параметрами распространяются в противоположных направлениях, только одна из них будет иметь правильную комбинацию амплитуды и частоты для прохода через обе нелинейные среды. Сходные результаты были получены для большого числа различных нелинейных сред.
Поскольку предложенная система не основана на использовании второй и последующих гармониках, как это происходило в фотонном кристалле, она может пропускать свет гораздо эффективнее. Количество проходящего света при этом будет зависеть от свойств использованного нелинейного материала, что позволяет в будущем найти способ настраивать систему для пропускания определенного количества энергии.
