Эмерджентное поведение, наблюдаемое у самого себя

Sep 25, 2023

18 января 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

рецензируемое издание

надежный источник

корректура

Сэм Шолтис, Университет штата Пенсильвания

Частицы света (фотоны), которые вынуждены взаимодействовать друг с другом через специально структурированное стекло, демонстрируют поведение, напоминающее «дробный квантовый эффект Холла» — явление, которое получило Нобелевскую премию по физике 1998 года, когда оно было продемонстрировано на электронах. Группа исследователей из Университета штата Пенсильвания теперь продемонстрировала, что движение света от чрезвычайно мощного лазера становится «фракционным», когда он проходит через стекло, — возникающее свойство, которое расширяет наше фундаментальное понимание физики, возникающей в сложных средах.

«Электроны — это заряженные частицы, и их заряд — фундаментальная константа природы», — сказал Микаэль Рехтсман, доцент кафедры физики в Пенсильванском университете и руководитель исследовательской группы. «В рамках дробного квантового эффекта Холла было показано, что электроны, взаимодействующие друг с другом при определенных условиях, ведут себя как частицы с некоторой долей этого заряда и потенциально могут быть использованы для более надежных квантовых вычислений. Теперь мы продемонстрировали явление, которое, хотя и является фундаментальным, в отличие от электронной версии, предполагает, что другой вид фракционирования может происходить со светом, который взаимодействует сам с собой».

В отличие от электронов, фотоны обычно не взаимодействуют друг с другом, поскольку не имеют заряда. Однако если у вас есть достаточно мощный лазер и вы пропускаете его через материал, реагирующий на эту мощность, фотоны ведут себя так, как будто они взаимодействуют, поскольку материал эффективно опосредует взаимодействие между ними. Другими словами, фотоны влияют друг на друга, воздействуя на материал. Исследователи разработали материал — специализированное стекло с множеством сложно структурированных «волноводов», которые проходят через него, как оптические волокна, — таким образом, что фотоны группируются в объекты, называемые «солитоны».

«Обычно свет лазера распространяется или преломляется от источника, но солитоны не дифрагируют», — сказал Рехтсман. «Они распространяются вперед через стекло со скоростью, близкой к скорости света, сохраняя фиксированную ширину».

Волноводы состоят из повторяющихся блоков в двух измерениях. Во-первых, каждый отдельный волновод, похожий на оптическое волокно, проходит сквозь стекло зигзагами и зигзагами, которые периодически повторяются в направлении движущегося света. Во-вторых, группы этих волокон, идентичные друг другу, повторяются по стеклу по обе стороны от лазерного луча.

В предыдущей работе со сравнительно маломощным лазером исследователи показали, что по мере распространения солитонов через стекло они могут перепрыгивать структуру волноводов, кратные целым числам. Они могут переместиться вправо на две единицы и вперед на одну единицу, что будет заменой двух на одну, или «положительных двух». Или, например, они могли перейти на одну единицу влево и вперед на одну единицу для изменения «отрицательного», но изменение всегда было целым числом.

«Теперь, увеличив мощность лазера, мы наблюдаем незначительные изменения», — сказал Рехтсман. «Итак, солитон может сдвинуться на одну единицу, продвигаясь вперед на две — изменение на единицу на две или на половину. Интересно то, что, хотя электроны и фотоны — совершенно разные частицы, и свойства, которые мы измеряем, совершенно разные К сожалению, осознание этого не приведет к автоматическому улучшению оптоволоконных кабелей, но наблюдение этого возникающего свойства в свете, которое напоминает наблюдаемое эмерджентное свойство в электронах помогает нам лучше понять новые возникающие явления в сложных физических средах».