Международный коллектив ученых исследовал поведение исключительных точек в РТ-симметричных слоистых структур. Введя анизотропную среду в такие структуры, физики показали способ управления исключительными точками. Результаты опубликованы в журнале Physical Review В.
Неэрмитовыми называются системы, которые обмениваются энергией с окружающей средой. РТ-симметрия (Parity-Time (PT) symmetry) такой системы подразумевает соблюдение баланса между поглощением и усилением.
Если в РТ-симметричной системе идеально согласовано поглощение и усиление, она ведет себя как среда, в которой не происходит ни того и ни другого. Однако существуют исключения. При определенных параметрах РТ-симметричная система поглощает или усиливает излучение — это состояние называется спонтанным нарушением симметрии. Исключительная точка описывает набор параметров, при которых происходит нарушение симметрии. Вблизи таких точек поведение системы кардинально меняется. Это свойство находит применение в различных приложениях, например, в особо чувствительных сенсорах, поглотителях излучения, лазерах и оптических переключателях.
Ученые из Белоруссии и России с коллегами рассмотрели поведение трехслойной РТ-симметричной системы. Они заменяли одну из ее компонент на анизотропную среду. Свойства такой среды, например, показатель преломления зависят от направления распространения света. Поэтому излучение по-разному проходит сквозь нее в зависимости от угла поворота анизотропной среды.
Рисунок 1. Схема трехслойной PT-симметричной структуры: внешние слои потерь (LOSS) и усиления (GAIN), а также промежуточный анизотропный слой (IL). Источник: Physical Review В.
Чтобы исследовать влияние анизотропной среды на количество и положение исключительных точек, физики меняли ориентацию в пространстве ее оптических осей. Выяснилось, что изменение одиночного анизотропного слоя не влияет на исключительные точки. Однако взаимное изменение ориентации двух слоев позволяет менять положение и количество исключительных точек. Подобную систему можно реализовать с использованием анизотропных жидких кристаллов, оптическая ось которых меняется с помощью внешнего электрического поля. Анизотропия добавляет в систему зависимость и от поляризации света. Такое влияние удваивает количество возможных исключительных точек.
Применение исключительных точек в приложениях зависит от их свойств. Технологические процессы не позволяют настроить устройство непосредственно на исключительную точку. Поэтому возможность оперативной настройки готовой системы крайне ценна. Наличие дефектов можно компенсировать в режиме реального времени с помощью анизотропного слоя и изменения его свойств внешним электрическим полем.
«На данном этапе мы не ставили перед собой задачу разработать конкретные практические приложения. Тем не менее предложенный принцип можно сравнительно легко осуществить путем интегрирования анизотропной среды (например, жидкого кристалла) в существующие неэрмитовые оптические системы, включая слоистые РТ-симметричные структуры. Важно подчеркнуть, мы считаем: что значимость полученных результатов не ограничивается только слоистыми структурами, поскольку аналогичный подход можно распространить и на другие виды неэрмитовых систем», — рассказал Александр Шалин, главный научный сотрудник лаборатории контролируемых оптических наноструктур МФТИ.
«В работе рассмотрена только простейшая ситуация, когда ориентация анизотропного слоя меняется в поперечной плоскости. Поэтому непосредственным продолжением работы видится обобщение результатов на случай произвольных ориентаций. Большой интерес представляют топологические свойства рассматриваемых систем. В более отдаленной перспективе мы планируем расширить исследование на другие типы сред. Например, использование магнитооптических материалов, как предполагается, позволит управлять исключительными точками с помощью внешнего магнитного поля», — поделился Денис Новицкий, заведующий центром «Нанофотоника» Института физики имени Б. И. Степанова.
В работе участвовали ученые из МФТИ, Института им. Б. И. Степанова (Беларусь), Белорусского государственного университета и Рижского технического университета (Латвия).
