В последние годы особый интерес у физиков вызывает явление, когда нарушается симметрия состояний света, например, возникают отличия в его интенсивности при изначально одинаковых значениях. Такой эффект можно получить в микрорезонаторах — «ловушках для света», способных «запирать» излучение в очень маленьком пространстве. Эти устройства изготавливают из так называемых нелинейно-оптических материалов, свойства которых зависят от интенсивности света. Симметрия состояний света может нарушаться, когда в микрорезонатор с противоположных сторон поступают изначально одинаковые по интенсивности световые волны. Проходя сквозь среду, состояния света при определенных условиях могут измениться так, что интенсивность волны в одном направлении начинает сильно превышать интенсивность волны в противоположном направлении. Этот эффект можно использовать в самых разных устройствах: немагнитных оптических изоляторах (приборах, которые пропускают свет только в одном направлении) и циркуляторах (устройствах для перенаправления и распределения световых лучей); логических элементах, используемых для обработки информации; высокочувствительных детекторах и многих других.
На сегодняшний день такое нарушение симметрии подробно описано в микрорезонаторах, преломляющие свойства которых зависят от интенсивности электрического поля, создаваемого световой волной. Этот случай называется керровской нелинейностью. Но подобный эффект практически не исследован в микрорезонаторах с другими типами нелинейностей.
Ученые из Института прикладной физики имени А.В. Гапонова-Грехова РАН (Нижний Новгород) обнаружили, что в микрорезонаторах симметрия может нарушаться и восстанавливаться при генерации света за счет рамановской нелинейности. Этот тип нелинейности возникает, когда свет, проходя через среду, рассеивается на колебаниях молекул, из-за чего появляются, в дополнение к изначальным волнам, рамановские — с отличной от первоначальной частотой.
Один из авторов исследования Алексей Андрианов за работой в лаборатории. Источник: пресс-служба ИПФ РАН
Исследователи изготовили микрорезонатор в виде шара с диаметром чуть больше 100 микрометров, что сопоставимо с толщиной человеческого волоса. Такое устройство получили из стеклянного оптического волокна. Симметрично с двух сторон на микрорезонатор направили пучки лазерного излучения одинаковой частоты. Из-за взаимодействия света со средой и его рассеяния при прохождении через микрорезонатор генерировались рамановские волны, частота которых была меньше исходных. При этом при определенных частотах противоположно направленные рамановские волны из симметричного состояния — с одинаковой интенсивностью — переходили в состояние с нарушенной симметрией, то есть их интенсивность стала различаться. Более того, впервые наблюдалось переключение между состояниями — волны с большей и меньшей интенсивностью могли меняться местами.
Схема эксперимента (слева); экспериментально измеренные интенсивности, демонстрирующие генерацию рамановских волн в симметричных состояниях и в состояниях с нарушенной симметрией (справа). Источник: Andrianov and Anashkina / Optics Letters, 2024
Таким образом, авторы экспериментально получили встречные рамановские волны с нарушенной симметрией и впервые наблюдали переключение между ними. Этот результат важен как с фундаментальной точки зрения, так и с прикладной, поскольку позволяет оперировать светом на длинах волн, отличных от лазерного источника, а также потенциально позволит увеличить чувствительность миниатюрных датчиков и других фотонных устройств.
«Мы экспериментально продемонстрировали, что, меняя частоту лазерного излучения, подаваемого на микрорезонатор, можно управлять состояниями рамановских волн. С уменьшением лазерной частоты изначально одинаковые по интенсивности (симметричные) рамановские волны становятся асимметричными — волна в одном из направлений начинает доминировать. При дальнейшей отстройке частоты лазера можно реализовать переключение между рамановскими состояниями, а также восстановить симметрию», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Алексей Андрианов, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией квантовой и нелинейной оптики сильно локализованных полей ИПФ РАН.
«Мы разработали математическую модель для описания наблюдаемого эффекта и смогли с ее помощью теоретически объяснить, как формируются состояния с нарушенной симметрией при рамановской генерации, а также предсказать поведение системы при различных параметрах, что важно при разработке компактных фотонных устройств», — подводит итог руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Елена Анашкина, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории экстремальной нелинейной оптики ИПФ РАН.
