Физика

Любой студент-физик с первых уроков оптики знает, что свет движется прямолинейно, не подвергаясь влиянию других световых лучей — лучи двух фонариков не отражаются друг от друга. Однако Мартин Виммер из Университета Фридриха Шиллера в Йене, Германия, и его коллеги использовали технику, основанную на так называемом синтетическом измерении, для создания импульсов света, которые взаимодействуют и ведут себя коллективно как сверхтекучая жидкость [1]. При этом они продемонстрировали, что это настраиваемая платформа для изучения взаимодействия между взаимодействием многих тел, топологией и диссипацией — особенностями, которые являются центральными для многих областей физики.

Чтобы понять синтетическое измерение, которое имеет решающее значение для этих экспериментов, обратите внимание, что обычное измерение пространства определяется через набор мест в сочетании с понятием «локальности»: частицы могут взаимодействовать и перемещаться только в близлежащие места. Синтетические измерения воспроизводят эту местность с использованием непространственных степеней свободы, что может обеспечить большую гибкость для проектирования и измерений по сравнению с пространственными измерениями. Исследователи ранее воспользовались этими преимуществами, реализовав синтетические измерения на ряде платформ, которые они использовали для изучения захватывающей физики, включая спин-орбитальное взаимодействие и множество топологических явлений [2, 3].

Чтобы реализовать синтетическое измерение света, Виммер и его коллеги используют решетку оптической сетки: экспериментальную установку, в которой время прихода световых импульсов служит аналогом положения (рис. 1). В их эксперименте время разделено на интервалы T, и каждый интервал представляет собой дискретный временной шаг t=1,2,… . Дискретные позиции, соответствующие узлам решетки (x=…,−2,−1,0,−1,2,…), отображаются на эту временную последовательность как подинтервалы, отделенные друг от друга Δt. Например, импульс, приходящий в точку T, представляет положение решетки x=0, тогда как импульс в точке T-Δt представляет собой x=-1. Переходу от одного положения решетки к другому (например, от −1 к −2) соответствует изменение времени прихода светового импульса относительно T (в данном случае от T−Δt до T−2Δt). Этот процесс имитирует движение в реальном пространстве: поскольку частица может двигаться в пространстве, только проходя через близлежащие точки, ее аналог в синтетическом измерении может перемещаться только к близлежащим узлам решетки.

Чтобы реализовать такое движение в синтетическом измерении, исследователи соединяют две петли оптоволоконного кабеля немного разной длины с помощью светоделителя. Свет распространяется по короткой петле за время T−Δt и по длинной петле за T+Δt. Следовательно, световой импульс в синтетической позиции x и синтетическом временном шаге t будет сдвинут к x-1 или x+1 на временном шаге t+1, если он пройдет через короткую или длинную петлю соответственно. После того, как импульс завершает цикл, светоделитель разделяет его на две равные части, которые продолжают проходить через оба цикла.

Хотя это синтетическое движение само по себе не очень интересно, конкретная физическая система, в которой реализуется синтетическое измерение, обладает мощными возможностями. Здесь нелинейный диэлектрический отклик волокна, использованного в эксперименте, вызывает зависящий от мощности фазовый сдвиг, а это означает, что несколько световых импульсов взаимодействуют, когда они перекрываются внутри петли. Эти взаимодействия изменяют поведение системы от идеального газа к поведению жидкости. Решетки оптических сеток, демонстрирующие такие взаимодействия света и света, ранее использовались для изучения таких явлений, как солитоны [4, 5] и неэрмитовых топологических эффектов [6–8], но свойства жидкости, возникающие в результате взаимодействий и движения, в частности, сверхтекучих, подобные потоку — до сих пор не наблюдались.

Виммер и его коллеги измеряют скорость «звука» в этой световой жидкости, где звук относится к волнам, распространяющимся в синтетическом измерении. Их техника аналогична броску камня в пруд: отталкивая часть воды пруда, камень возбуждает рябь, которая распространяется со скоростью водных волн. В этом эксперименте «пруд» представляет собой примерно однородную жидкость, охватывающую около десяти синтетических участков; «камень» — это сила отталкивания, которую исследователи создают вокруг пары участков в центре жидкости. Эта сила отталкивания создает рябь света, которая распространяется наружу в синтетическом измерении со скоростью света, сверхтекучей. Измерения распространения ряби качественно согласуются (с некоторыми отклонениями, вероятно, из-за несовершенства эксперимента) с гидродинамической теорией. В частности, свет действует как сверхтекучая жидкость, которая проходит через препятствия, не рассеиваясь.