Когда волны способны поглощать или выделять энергию, возникают так называемые «исключительные точки», вокруг которых волны демонстрируют весьма своеобразное поведение: лазеры включаются, даже если у них отбирается энергия, свет излучается только в одном определенном направлении. , и волны, которые сильно перемешаны, выходят из неразберихи в упорядоченном, четко определенном состоянии. Вместо того, чтобы просто приблизиться к такой исключительной точке, группе исследователей из TU Wien (Вена, Австрия) вместе с коллегами из Бразилии, Франции и Израиля теперь удалось направить систему вокруг этой точки, с замечательными результатами, которые теперь были опубликованы в журнал Nature.Волны со сложными частотами«Обычно характерные частоты волн в конкретной системе зависят от нескольких различных параметров», — говорит профессор Стефан Роттер (Институт теоретической физики, TU Wien).
Частоты микроволн в металлическом контейнере определяются размером и формой контейнера. Эти параметры можно изменять, так что частоты волн тоже меняются.«Ситуация значительно усложняется, если система может поглощать или выделять энергию», — говорит Роттер. «В этом случае наши уравнения дают комплексные частоты, почти так же, как в математике, когда комплексные значения возникают из квадратного корня отрицательного числа».
На первый взгляд, это может показаться простой технической стороной дела, но в последние годы новые экспериментальные данные показали, что эти «сложные частоты» действительно имеют важные физические приложения.Микроволны в металлическом ящикеСтранные характеристики этих сложных частот становятся наиболее очевидными, когда система приближается к «исключительной точке». «Исключительные моменты возникают, когда форма и поглощение системы могут быть настроены таким образом, что две разные волны могут встречаться на одной определенной комплексной частоте», — объясняет Роттер. «В этой исключительной точке волны не только имеют одинаковую частоту и скорость поглощения, но и их пространственная структура одинакова.
Таким образом, можно действительно интерпретировать это как два волновых состояния, сливающихся в одно в исключительной точке».Всякий раз, когда такие исключительные точки появляются в системе, можно наблюдать любопытные эффекты: «Мы посылаем две разные волновые моды через волновод, который предназначен не только для приближения к исключительной точке, но и для того, чтобы направлять волны вокруг нее», — говорит Йорг. Доплер, первый автор исследования. Независимо от того, какой из двух возможных режимов включен в систему — на выходе всегда появляется один и тот же режим.
Когда волны попадают в волновод с противоположного направления, предпочтение отдается другой моде. «Это похоже на вождение машины в обледенелом двухполосном туннеле, в котором одна дико скользит, но всегда выходит на правильную сторону дороги», — говорит Доплер.Чтобы проверить теоретические модели, Стефан Роттер и его группа объединились с исследователями из Франции, работающими над микроволновыми структурами, то есть полыми металлическими коробками, через которые отправляются электромагнитные волны для изучения их поведения. Чтобы создать странное волновое поведение вблизи исключительной точки, волноводы должны соответствовать особым правилам проектирования, которые были разработаны в TU Wien при поддержке Алексея Майлыбаева из IMPA (Бразилия). Эксперименты проводились в группе Ульриха Куля из Университета Ниццы, где теперь действительно можно было наблюдать предсказанное поведение.
Новые рубежи волновой физикиСистемы с исключительными точками открывают совершенно новый класс возможностей для управления волнами. «Подобно тому, как комплексные числа открыли нам новые возможности в математике, сложные исключительные точки дают нам новые идеи для физики волн», — говорит Роттер.
Действительно, несколько исследовательских групп по всему миру в настоящее время работают над исключительными моментами: в том же номере журнала Nature, в котором опубликованы вышеупомянутые результаты, команда из Йельского университета (США) также представляет результаты по исключительным моментам в оптико-механике. . «Я уверен, что скоро мы услышим гораздо больше об исключительных моментах во многих различных областях физики», — говорит Стефан Роттер.
