Rețea optică generată cu laser: demonstrație experimentală a solitonilor discreți în vapori de rubidiu
Cercetătorii din cadrul Grupului de Tehnologii Cuantice de la Institutul de Fizică din Zagreb, în colaborare cu un coleg de la Departamentul de Fizică al Facultății de Științe, au demonstrat experimental, pentru prima dată, existența solitonilor discreți unidimensionali într-o rețea fotonică indusă optic în vapori calzi de rubidiu. Rezultatele au fost publicate în revista Laser & Photonics Reviews.
Rețelele fotonice sunt structuri periodice prin care lumina se propagă în mod analog mișcării electronilor într-un cristal. Implementările convenționale ale unor astfel de rețele — de exemplu în semiconductori, niobat de litiu, sticlă sau ghiduri de undă optice — au în general proprietăți fixe. În acest studiu, cercetătorii au folosit vaporii calzi de rubidiu ca mediu dinamic și reglabil, în care rețeaua este creată prin intermediul luminii laser.
Formarea rețelei și difracția discretă
Două fascicule laser de cuplare se intersectează la un unghi mic în interiorul unei celule de sticlă care conține vapori de rubidiu, producând un model de interferență ce modulează spațial indicele de refracție al vaporilor. Un fascicul laser suplimentar de sondă, focalizat pe un singur sit al rețelei, se propagă apoi prin această structură. La intensitate scăzută, fasciculul se extinde treptat către siturile vecine — un fenomen cunoscut drept difracție discretă, care diferă de difracția într-un mediu omogen tocmai datorită structurii periodice a mediului.
Pe măsură ce intensitatea fasciculului de sondă crește, răspunsul vaporilor atomici devine neliniar, iar fasciculul începe să se auto-focalizeze. La o putere suficient de mare, acest efect poate contrabalansa difracția discretă. Cercetătorii au observat astfel un soliton discret — un fascicul localizat de lumină al cărui profil transversal rămâne aproape neschimbat pe parcursul propagării prin mediu. În experiment, solitonul s-a format la o putere a laserului de sondă de aproximativ 6 mW.
Modelarea răspunsului atomic
Mecanismul fizic se bazează pe interacțiunea atomilor de rubidiu cu două câmpuri laser, într-o configurație cunoscută sub numele de schemă Λ, care implică trei niveluri energetice atomice. Un rol important îl joacă transparența indusă electromagnetic în condiții de detunare mare față de rezonanța de un singur foton.
Pentru a explica fenomenele observate, autorii au dezvoltat un model teoretic care cuplează ecuația de undă paraxială, ce descrie propagarea fasciculului laser, cu ecuațiile Bloch optice care descriu răspunsul atomilor de rubidiu. Modelul include structura hiperfină completă a atomului, iar acordul bun dintre rezultatele experimentale și cele numerice confirmă importanța acestei abordări pentru descrierea propagării neliniare a luminii.
O platformă reglabilă pentru optica cuantică
Semnificația deosebită a acestei platforme experimentale rezidă în proprietățile unice și flexibilitatea vaporilor atomici comparativ cu materialele în stare solidă. Proprietățile rețelei optice pot fi reglate prin modificarea frecvențelor și intensităților fasciculelor de cuplare, precum și a altor parametri experimentali. Deoarece permite controlul coerent al câștigului și pierderilor optice, vaporii atomici calzi oferă un mediu foarte reglabil pentru studierea dinamicii neliniare non-hermitiene, a simetriei paritate-timp (PT), a solitonilor disipativi și a fluidelor cuantice de lumină.
Rezultatele contribuie la o mai bună înțelegere a propagării neliniare a luminii în structuri fotonice reglabile. Pe termen mai lung, acestea ar putea fi relevante și pentru dezvoltarea unor noi abordări în optica cuantică și în tehnologiile atomice, de exemplu în cercetarea memoriilor cuantice, a ceasurilor atomice și a dispozitivelor la scară de cip.
