Когда традиционные теории становятся неприменимы

Российские ученые, работающие в новой области — оптике униполярного света, предложили способ получать световые импульсы необычной формы: прямоугольные, треугольные, трапециевидные. Применение подобных импульсов в инфракрасном, ультрафиолетовом, видимом диапазонах позволит в сотни раз ускорить обработку и передачу данных.

Световые импульсы прямоугольной и треугольной формы

Вспомним школьный курс физики в той его части, где речь шла об электромагнитном излучении и волнах. Электромагнитные волны принято характеризовать длиной волны. Длина волны — это расстояние между соседними максимальными значениями напряженности поля. У волн есть и другая характеристика — частота волны. Они связаны между собой простым соотношением: частота равно скорость света делить на длину волны. В каждой точке пространства напряженность поля будет меняться по гармоническому закону, и чем меньше длина волны, тем чаще эти изменения и соответственно больше частота. Человек для передачи информации без использования проводов и оптических волокон использует электромагнитные волны, закладывая информацию в изменение амплитуды колебаний в волне с фиксированной частотой или в изменение частоты. Для этого он использует волну с определенной несущей частотой.

На несущей частоте напряженность электрического поля в месте расположения приемника периодически и много раз меняет свое направление в соответствии с гармоническим законом. Подобную несущую имеют все виды электромагнитного излучения. Несущую волну имеют радиоволны, которые излучают радиостанции. Для прослушивания разных станций нам приходится перестраивать частоту настройки радиоприемника и выбирать излучение с определенной несущей частотой. Также атомы и молекулы имеют присущий только им набор частот. Только частоты этих микрорадиостанций находятся главным образом в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазонах.

Физики из Санкт-Петербургского государственного университета — Ростислав Архипов, Антон Пахомов, Михаил Архипов в соавторстве с академиком РАН Николаем Николаевичем Розановым, известным специалистом в области лазерной физики и нелинейной оптики, Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе РАН (Санкт-Петербург) поставили вопрос, а можно ли создать такие световые импульсы, в которых бы не было несущей частоты, и оставить в них только одно колебание, где напряженность электрического поля не меняла направление, а затем изменять зависимость поля от времени в его пределах. Уже несколько лет они работают в этом направлении, которое получило название оптика униполярного света. Термин «униполярный» как раз характеризует свойство поля излучения не менять полярность поля в световой электромагнитной волне. Данный раздел науки имеет дело с не свойственными природным объектам полями, для которых наличие гармонической несущей является обязательным. Поэтому крайне непросто заставить природные микрообъекты быть источниками униполярного излучения. Именно из-за этого обстоятельства еще десять лет назад подобные идеи не рассматривались. Однако приблизившись к пределу длительности импульса, равному одному периоду колебаний, физики поставили вопрос, как дальше уменьшать длительность, попробовать сжать подобное образование или, может быть, обрезать одну полуволну поля? Было решено обрезать и посмотреть, что это дает. Прежде всего, в принципе, допускают ли первые принципы физики подобные поля? Ответ — да, нет принципиальных ограничений на их существование и их получение некоторыми пока достаточно непростыми способами, но их применение дает впечатляющие результаты.

«Помимо самой возможности получения униполярных импульсов нами также исследовались особенности их взаимодействия с квантовыми системами (атомами, молекулами, наноструктурами). В рамках этих исследований мы изучали возбуждение и ионизацию квантовых систем, возбуждаемых предельно короткими и униполярными импульсами света, когда их длительность короче орбитального периода электрона в атоме. Причем униполярные импульсы обладают преимуществом — ввиду однонаправленного воздействия на квантовые системы способны более быстро и эффективно менять состояния квантовых систем по сравнению с обычными биполярными длинными импульсами»,— добавляет Николай Розанов, академик РАН, главный научный сотрудник ФТИ имени Иоффе.

«При воздействии на микрообъекты униполярных импульсов такой малой длительности традиционные теории, такие как теория туннельной ионизации Келдыша, становятся неприменимы. Физика взаимодействия таких импульсов с атомными системами становится уже иной. В этом случае, как показали результаты проведенных исследований, ведущую роль во взаимодействии играет уже электрическая площадь действующего импульса (она определяется как интеграл от напряженности электрического поля по времени в данной точке пространства). Для обычных многоцикловых импульсов, которые получаются в лазерных установках на сегодняшний день, электрическая площадь всегда близка к нулю. Для оценки степени эффективности воздействия таких предельно коротких импульсов на различные квантовые системы нами была введена новая физическая величина — "атомная мера площади". Она равна отношению постоянной Планка к произведению характерного "размера" квантовой системы и величины заряда квантовой частицы. Как показали наши исследования, вероятность возбуждения и ионизации атомных систем определяется отношением электрической площади импульса к ее атомной мере, а не энергией импульса или его амплитудой»,— сказал Николай Розанов.

«В одной из наших последних работ мы предложили новый способ получения униполярных импульсов с необычной формой, например, прямоугольной или треугольной. В основе способа лежит использование нелинейной среды с неоднородными характеристиками, которая возбуждается, а затем это возбуждение деактивируется вторым импульсом. Ранее подобная задача считалась нерешаемой или как минимум крайне трудной. Однако если источники импульсов заданной формы будут созданы, это поможет разработать оптические устройства, способные в сотни и тысячи раз быстрее обрабатывать и передавать информацию, чем используемые сейчас электронные схемы»,— рассказывает руководитель проекта Ростислав Архипов, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник физического факультета СПбГУ.

Причина здесь в резком росте информационной емкости импульсов, их униполярности, то есть в импульсе не происходит изменения направления поля, нет несущей, а значит, возрастает резко ширина полосы частот, которая простирается от нулевого значения до, например, видимой области спектра. Информационная емкость сигнала включает все диапазоны частот от радио, микроволнового до оптического. Соответственно, имея источник такого излучения, можно организовать радиотрансляцию в любом диапазоне, световое шоу и многое другое.

«Часто спрашивают о практическом внедрении наших идей,— продолжил Ростислав Архипов.— Здесь следует понимать, что мы как физики занимаемся принципиальными физическими вопросами и демонстрируем принципиальную возможность их реализации, и стараемся показать, какая польза может быть от внедрения новых идей. Практическая реализация, как всегда, требует серьезных вложений и хорошей технологической базы».

Исследование поддержано грантом Российского научного фонда.