Связь двух ультракоротких солитонов, путешествующих между зеркалами лазерного резонатора: первая вспышка света возбуждает колебания атомов лазерного кристалла, следующая вспышка находится под ее влиянием и удерживается на стабильном расстоянии. Предоставлено: Георг Херинк

В лазерах ультракоротких импульсов оптические солитоны могут образовывать особенно тесные пространственные и временные связи. Их также называют ультракороткими «солитонными молекулами», потому что они устойчиво связаны друг с другом, подобно химически связанным атомам молекулы. Исследовательская группа в Байройте использовала широко используемый твердотельный лазер, сделанный из кристалла сапфира, легированного атомами титана, чтобы выяснить, как происходит это взаимодействие. Во-первых, единственная ведущая вспышка света заставляет атомы в кристаллической решетке сапфира мгновенно вибрировать. Эти характерные движения колеблются в терагерцовом диапазоне и снова затухает в течение нескольких пикосекунд (пикосекунда соответствует триллионной доле секунды). За этот чрезвычайно короткий промежуток времени показатель преломления кристалла изменяется. Когда сразу же следует вторая вспышка света и догоняет первую, она чувствует это изменение: она не только слегка подвержена влиянию атомных колебаний, но и может быть устойчиво связана с предшествующим солитоном. Рождается «солитонная молекула».

«Обнаруженный нами механизм основан на физических эффектах рамановского рассеяния и самофокусировки. Он объясняет множество явлений, которые озадачивают науку с момента изобретения титан-сапфировых лазеров более 30 лет назад. Что особенно интересно в этом открытии, так это то, что теперь мы можем использовать динамику солитонов во время их генерации в лазерном резонаторе для чрезвычайно быстрого сканирования атомных связей в материалах. Все измерение так называемого внутрирезонаторного рамановского спектра теперь занимает менее одной тысячной секунды. Эти результаты могут помочь в разработке особенно быстрых химически чувствительных микроскопов, которые можно использовать для идентификации материалов. Кроме того, механизм связи открывает новые стратегии для управления световыми импульсами с помощью движения атомов и, наоборот, для создания уникальных материальных состояний с помощью световых импульсов», — объясняет младший профессор доктор Георг Херинк, руководитель исследования и младший профессор сверхбыстрой динамики в Университет Байройта.

Параллельно с анализом экспериментальных данных исследователям удалось разработать теоретическую модель динамики солитонов. Модель позволяет объяснить наблюдения, полученные в экспериментах, и предсказать новые эффекты колебаний атомов на динамику солитонов. Взаимодействия солитонов в оптических системах и их приложения для высокоскоростной спектроскопии в настоящее время изучаются в рамках исследовательского проекта DFG FINTEC в Университете Байройта.