Ученые из России, Греции и Казахстана нашли турбулентные химерные состояния в больших массивах полупроводниковых лазеров. Открытие позволит сделать системы лазеров более эффективными, и будет применяться в фиброскопах, используемых в лазерной медицине, и сенсорах.

Научная группа из Национального исследовательского технологического университета НИТУ «МИСиС» (Москва, Россия), Критского центра квантовой запутанности и нанотехнологий (Ираклион, Греция), Греческого фонда науки и технологий (Ираклион, Греция), а также Назарбаев университета (Астана, Казахстан) впервые нашла химерные состояния в больших массивах полупроводниковых лазеров. Выяснилось, что это турбулентные химеры. Результаты исследований опубликованы в феврале 2017 года в журнале Scientific Reports.

Химерные состояния были открыты в 2002 году. Свое название они получили потому, что часть системы колеблется согласовано (когерентно), как и «положено» лазерам, а часть — беспорядочно (некогерентно). Химеры играют роль «перехода» между полным порядком (совершенным синхронным колебанием) и полным хаосом (беспорядочным колебанием).

Необычность химер состоит в том, что они не могут возникнуть во время работы одного лазера. Их можно заметить лишь в системах связанных идентичных нелинейных осцилляторов (когерентный осциллятор — и есть лазер). Более того, в некоторых областях лазерной связки осцилляторы колеблются когерентно, а в других — нет, что само по себе требует отдельных исследований.

В 2016 году американские и немецкие математики предсказали, что химеры могут быть трех типов — стационарные (размер области, занимаемый когерентными осцилляторами, во времени не меняется), «дышащие» (размер области когерентности осциллирует с течением времени) и турбулентные (поведение и размер этой области изменяется нерегулярно). Но как такие системы возникают, оставалось непонятным.

Чтобы понять механизм возникновения химер и их поведение, исследовательская группа с участием НИТУ «МИСиС» проанализировала большой массив (200 шт.) изначально несинхронизированных полупроводниковых лазеров.

Со временем система частично синхронизировалась, а оставшаяся часть показала поведение, характерное для предсказанной ранее турбулентной химеры. При увеличении массива до 1000 излучателей поведение системы практически не менялось. Наличие химер показывает, что такие системы могут быть организованными лишь частично.

Сергей Гнусков

Сергей Гнусков

«Мы с коллегами изучили массив именно полупроводниковых лазеров, так как такие массивы связанных нанолазеров уже созданы экспериментально, — рассказал ведущий научный сотрудник лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» Георгиос Циронис. — Однако полагаем, что схожие результаты будут вскоре получены и для массивов других лазеров. Уравнения, которые использованы в этом исследовании, подобны уравнениям, возникающим при описании массивов связанных джозефсоновских переходов (два сверхпроводника, разделенных тонким слоем диэлектрика, через который протекает сверхпроводящий ток — прим. ред.), что позволяет надеяться на возможность обнаружения турбулентных химер в сверхпроводящих устройствах, например, в массивах сверхпроводящих квантовых интерферометров. Кроме того, лазерные массивы требуют меньших энергетических затрат, чем большие лазеры, и их проще создавать».

Теперь ученые планируют найти способ эффективного управления турбулентным химерным состоянием, что сделает большие массивы лазеров более эффективными. Открытие найдет применение в фиброскопах, используемых в лазерной медицине, а также сенсорах, так как позволит скорректировать картинку, получаемую при зондировании, исключив их нее колебания самой системы связанных лазеров.