Свет заставили идти только в одном направлении

Физики нашли способ "заставить" свет распространяться только в заданном направлении (например, справа налево) и не распространяться в противоположном. Для реализации этой задачи ученые предложили использовать так называемые нелинейные материалы. Пока работа, опубликованная в журнале Physical Review Letters, носит исключительно теоретический характер. Коротко исследование описано на портале Physical Review Focus.

Возможность задавать определенное направление распространения световой волны может быть востребована, например, для изготовления световых диодов. Но распространение света в так называемой линейной среде определяется так называемой теоремой взаимности, которая постулирует, что в линейной среде идентичные волны распространяются одинаково независимого от направления движения.

Для того чтобы "преодолеть" требование теоремы, ученые решили воспользоваться нелинейными материалами, в которых скорость и другие параметры световой волны зависят от ее интенсивности. Поведение волны в таких материалах ученые описывали при помощи дискретного нелинейного уравнения Шредингера, которое описывает поведение нелинейных волн, и которое дает точное решение для каждой отдельной волны.

Авторы моделировали систему, в которой свет проходит через несколько слоев линейного материала, между которыми вставлены два слоя нелинейных материалов. Поведение волны в этих двух нелинейных слоях описывалось дискретным нелинейным уравнением Шредингера со слегка различными параметрами. В линейных материалах распространение волны описывалось линейным уравнением.

Решение уравнений показало, что лучше всего свет будет распространяться в такой системе, когда частота волны совпадает с так называемой резонансной частотой нелинейных слоев. Однако частота волны в описываемой системе зависит от амплитуды волны, и при этом зависимость различна для волн противоположного направления. Как показали авторы, для определенных значений амплитуды, когда идентичные волны приходят с противоположных направлений, только одна из них может иметь такое сочетание частоты и амплитуды, которое позволит волне пройти сквозь систему. Вторая волна при этом практически полностью отразится. Авторы получили такой результат и для большего числа нелинейных слоев в системе.

Разработанная учеными система в перспективе может пригодиться для создания квантовых компьютеров - устройств, вычислительная мощность которых в разы превосходит вычислительные мощности обычных ЭВМ.