Ученые из МИСиС совместно с коллегами из Греции и Казахстана нашли турбулентные химерные состояния в больших массивах полупроводниковых лазеров. Это открытие позволит сделать системы лазеров более эффективными и будет применяться в сенсорах и фиброскопах, используемых в лазерной медицине. Исследование опубликовано в журнале Scientific Reports.

Химерные состояния были открыты в 2002 году. Свое название они получили потому, что часть системы колеблется согласованно (когерентно), как и положено лазерам, а другая часть — беспорядочно (некогерентно). Химеры играют роль «перехода» между полным порядком, совершенным синхронным колебанием, и полным хаосом, беспорядочным колебанием.

Необычность химер состоит в том, что они не могут возникнуть во время работы одного лазера. Их можно заметить лишь в системах связанных идентичных нелинейных лазеров. Более того, в некоторых областях лазерной связки осцилляторы колеблются когерентно, а в других — нет, что само по себе требует отдельных исследований.

В 2016 году американские и немецкие математики предсказали, что химеры могут быть трех типов: стационарные (размер области, занимаемой когерентными осцилляторами, во времени не меняется), дышащие (размер области когерентности осциллирует с течением времени) и турбулентные (поведение и размер этой области изменяется нерегулярно). Но как такие системы возникают, оставалось непонятным.

Чтобы понять механизм возникновения химер и их поведение, исследователи проанализировали 200 изначально несинхронизированных полупроводниковых лазеров. Со временем система частично синхронизировалась, а оставшаяся часть показала поведение, характерное для предсказанной ранее турбулентной химеры. При увеличении массива до тысячи лазеров поведение системы практически не менялось. Наличие химер показывает, что такие системы могут быть организованными лишь частично.

«Мы изучили массив именно полупроводниковых лазеров, так как такие массивы связанных нанолазеров уже созданы экспериментально. Однако полагаем, что схожие результаты будут вскоре получены и для массивов других лазеров. Уравнения, которые использованы в этом исследовании, подобны уравнениям, возникающим при описании массивов связанных джозефсоновских переходов (два сверхпроводника, разделенных тонким слоем диэлектрика, через который протекает сверхпроводящий ток), что позволяет надеяться на возможность обнаружения турбулентных химер в сверхпроводящих устройствах, например в массивах сверхпроводящих квантовых интерферометров. Кроме того, лазерные массивы требуют меньших энергетических затрат, чем большие лазеры, и их проще создавать», — рассказал ведущий научный сотрудник лаборатории сверхпроводящих метаматериалов Георгиос Циронис.

Теперь ученые планируют найти способ эффективного управления турбулентным химерным состоянием, что сделает большие массивы лазеров более эффективными.