Двое итальянских физиков провели теоретический расчёт и выяснили, как можно добиться того, чтобы волны «предпочитали» какое-то одно направление распространения в материале.

Известно, что создать некое выделенное направление прохождения волн — световых или звуковых — в обычной линейной среде не получится. Ранее учёные, проектировавшие «световые диоды», обходили это ограничение с помощью фотонных кристаллов, структура которых характеризуется периодическим изменением показателя преломления. Схема диода на основе кристаллов действительно работает, но имеет один изъян, избавиться от которого невозможно: искомый эффект проявляется в случае волны с частотой, в два раза превышающей исходную.

Модель, предложенная итальянскими исследователями, лишена указанного недостатка, а её ключевым элементом служат нелинейные материалы. Теоретическое описание её работы было построено с помощью дискретного нелинейного уравнения Шрёдингера. Авторы рассматривали одно измерение и волну, проходящую сквозь систему тонких линейных слоёв (скажем, сквозь обычное стекло), в центре которой находятся два нелинейных слоя, несколько отличающихся друг от друга.

Волны преодолевают барьер с наименьшими потерями, если их частота совпадает с некоторым резонансным значением, характерным для вещества барьера. В случае нелинейных материалов необходимо учитывать ещё и амплитуду, не забывая о том, что модельная система специально сделана асимметричной. Как показали вычисления, некоторые сочетания частоты и амплитуды оказываются выгодны для распространения только в одном из двух противоположных направлений; такие свойства, очевидно, и должен иметь волновой диод. Аналогичные результаты можно получить при расчёте более сложной системы с увеличенным числом нелинейных слоёв.

Рис. 1. Результаты моделирования: световые волны, приходящие слева, практически свободно проходят дальше, а свет, падающий справа, отражается. (Иллюстрация из журнала Physical Review Letters).

По мнению не принимавшего участия в работе сотрудника Массачусетского университета Панайотиса Кеврекидиса (Panayotis Kevrekidis), первые экспериментальные образцы «световых диодов» появятся довольно скоро.

«В некоторых лабораториях уже смонтированы установки, которые можно настроить соответствующим образом и зарегистрировать этот эффект», — говорит учёный.

Полная версия отчёта опубликована в статье:

Stefano Lepri and Giulio Casati Asymmetric Wave Propagation in Nonlinear Systems. – Physical Review Letters. – 106, 164101 (2011) [4 pages].