Специалисты из Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе РАН представили инновационную технологию получения уникальных полуцикловых световых импульсов, обладающих исключительно малой длительностью и разнообразной формой. Эта методика, поддержанная грантом Российского научного фонда (РНФ), открывает широкие перспективы для современных квантовых систем и следующего поколения петагерцовой электроники. Высокоточные световые импульсы, генерируемые при помощи компактной лазерной установки, позволят совершить скачок в управлении электронными процессами на фундаментальном уровне, а значит, дадут мощный стимул развитию передовых электронных устройств.
Полуцикловые импульсы: технология завтрашнего дня
Для эффективного контроля за движением электронов внутри молекул и атомов необходимы сверхкороткие и мощные световые импульсы. Они должны быть способны действовать буквально за полпериода световой волны, «подталкивая» электроны в нужном направлении — словно разящий удар, мгновенно меняющий электронную конфигурацию. Именно поэтому импульсы такой длительности называют полуцикловыми или униполярными. Их диапазон может достигать фемтосекундного уровня — то есть одной квадриллионной доли секунды — что обеспечит беспрецедентную скорость передачи и обработки сигналов.
Однако традиционные лазерные системы неспособны создавать столь короткие всплески: они выдают лишь набор последовательных полуволн. Прежние техники формирования подобных импульсов требовали сложных и громоздких лабораторных комплексов, отчего полуцикловые импульсы долгое время оставались предметом теоретических исследований. Теперь, благодаря прорывной методике ФТИ имени А.Ф. Иоффе, ситуация кардинально меняется.
Секрет успеха: взаимодействие света и вещества
Команда ученых под руководством доктора физико-математических наук Николая Розанова сконцентрировала внимание на использовании самого вещества, чтобы преобразовать более длинные фемтосекундные импульсы в желаемые полуцикловые. Как объяснил Ростислав Архипов, старший научный сотрудник института и соавтор проекта, ключевая идея состоит в прохождении мощного светового импульса, состоящего из двух полуволн противоположной полярности, через специально подготовленный слой газа.
Передний фронт лазерного импульса — его первая полуволна — ионизирует газ и преобразует его в тончайшую плазменную прослойку, состоящую из заряженных частиц. А задний фронт, встречая на своем пути этот слой плазмы, отражается с минимальной задержкой. Удивительно, но таким образом можно формировать не только классические плавные «дуги» полуволн, но и прямоугольные, и даже трапециевидные импульсы, избавляясь от ненужных полуволн и хвостов сигнала.
Регулировка формы по запросу
Авторы методики теоретически и с помощью компьютерного моделирования доказали, что простым изменением толщины газового слоя можно задавать форму получаемого светового импульса. В сверхтонких слоях возникает импульс, напоминающий параболическую дугу. Если же увеличить толщину газа, то отражённые полуцикловые импульсы наслаиваются друг на друга, трансформируясь в сигналы прямоугольной или трапециевидной формы. Такой подход делает процесс управления предельно гибким: экспериментатору достаточно настроить всего один параметр для получения нужной волновой структуры.
Как отмечает Ростислав Архипов, эта простота и универсальность технологии принципиально отличает новинку ФТИ имени А.Ф. Иоффе от предыдущих лабораторных методов, предлагая инструменты для точной настройки характеристик импульса под конкретные задачи электроники и фотоники.
Заявка на технологический прорыв
Возможность получать изолированные полуцикловые световые импульсы открывает двери для сверхбыстрой электроники, где управление токами и оптическими сигналами осуществляется уже на петагерцовых частотах. Это позволит создавать устройства, скорость работы которых во много раз превышает сегодняшний уровень. В будущем ученые планируют активно изучать дополнительные способы управления формой и амплитудой полуцикловых импульсов, чтобы полностью раскрыть потенциал новой методики.
Руководитель проекта Николай Розанов уверен, что дальнейшее нарощение возможностей генерации и контроля световых импульсов запустит масштабное применение в сверхбыстрой оптоэлектронике и квантовых технологиях, а сам подход послужит основой для новых устройств, необходимых для передачи и обработки информации на фантастически коротких временных промежутках.
Будущее квантовой и петагерцовой электроники
Достижения коллектива ФТИ имени А.Ф. Иоффе, поддержанного Российским научным фондом, демонстрируют — отечественная наука активно формирует технологическую базу для будущих квантовых компьютеров, устройств оптической связи нового поколения, сенсоров и уникальных фотонных элементов. Впервые стало возможным контролировать и модулировать структуру полуцикловых световых импульсов без сложных лабораторных систем, что ведет к массовому внедрению инноваций в промышленность и исследовательскую практику.
Данный проект — ещё одно свидетельство того, что фундаментальные исследования могут приводить к реальным технологическим решениям, способным трансформировать целые отрасли. Построение сетей передачи данных, развитие лазерной медицины, совершенствование микроэлектроники и фотоники — вот лишь часть направлений, где новейшая разработка уже завтра способна дать ощутимые результаты.
Применение сверхкоротких световых импульсов
Стоит также отметить, что еще ранее коллектив ФТИ имени А.Ф. Иоффе продемонстрировал возможность превращения оптически однородных сред, таких как кристаллы, в специализированные «ловушки для света». Так называемые микрорезонаторы широко используются в лазерных технологиях, сенсорных системах и устройствах энергии поглощения света. Сверхкороткие световые импульсы позволяют создавать новые типы резонаторных структур высокой чувствительности, знаменуя собой очередной шаг на пути к созданию аварийной электроники и квантовых устройств завтрашнего дня.
Источник: indicator.ru
