Исключительные точки (EPs)
Исключительные точки (EPs) — это неэрмитовы сингулярности, в которых два или более собственных состояния сливаются, что приводит к коллапсу размерности собственного пространства. За последнее десятилетие исследователи обнаружили множество экзотических явлений вблизи EPs.
Исключительные точки в физике лазеров
В физике лазеров EPs связаны с такими явлениями, как прекращение генерации лазера, вызванное накачкой, генерация, индуцированная потерями, и проектирование квази-чётных по времени систем лазеров, которые увеличивают выходную мощность лазеров большой площади, сохраняя одномодовый режим работы.
Новое исследование
В новом исследовании, опубликованном в Physical Review Letters, сообщается об ещё одном удивительном эффекте EPs в лазерных системах. Работа ставит прямой вопрос: в лазерном резонаторе, поддерживающем несколько мод в полосе усиления, всегда ли первой начинает генерировать мода с наибольшим усилением и самым быстрым ускорением усиления (то есть с наиболее крутым увеличением усиления моды при приложении материального усиления)? Традиционно считается, что да. Однако авторы демонстрируют, что эта интуиция может давать сбой.
Рами Эль-Ганайни, доктор философии, профессор оптики и фотоники в Департаменте электротехники и вычислительной техники в Университете Сент-Луиса, и соответствующий автор статьи, объясняет: «Мы рассмотрели сценарий, в котором две моды с более низкими коэффициентами качества сливаются в EP (или испытывают избегаемое пересечение вблизи EP) при увеличении материального усиления. Наша интуиция заключалась в том, что это слияние может повысить эффективное усиление моды одной из этих мод, позволяя ей достичь порога раньше».
Идея возникла в результате научного обмена. «Рами подошёл ко мне с идеей о том, что EPs могут изменить порядок порогов генерации во время встречи, организованной Mathematisches Forschungsinstitut Oberwolfach (MFO) в Германии по нелинейной оптике: физике, анализу и численным методам», — говорит Джулиус Куллиг, постдокторант в группе Яна Вирсига в Институте физики Университета Отто фон Герике в Магдебурге, и первый автор статьи.
После возвращения в Магдебург Куллиг и Вирсиг решили показать, что такой случай действительно существует. Тем временем Ци Чжун, тогда постдокторант в группе Эль-Ганайни в Университете Сент-Луиса, вместе с Эль-Ганайни разработали дискретную фотонную систему, состоящую из связанных резонаторов, где этот эффект также можно продемонстрировать.
Это открытие подчёркивает, что даже в таких устоявшихся областях, как лазерная инженерия, пересмотр фундаментальных предположений через призму неэрмитовой физики может привести к неожиданным открытиям. Оно также подчёркивает решающую роль финансируемых научных встреч, таких как встречи, организуемые MFO, в развитии сотрудничества, объединяющего экспертов из разных учреждений и исследовательских культур.