La tecnologia laser confina la luce all'interno di un risonatore contenente un mezzo di guadagno, un materiale con proprietà quantistiche in grado di amplificare la luce. Poiché i risonatori laser sono generalmente molto più grandi della lunghezza d'onda della luce, il laser all'interno delle loro cavità può verificarsi in una vasta gamma di modelli, che sono noti come modi.

Precedenti studi di fisica hanno scoperto che possibili modelli laser (cioè, modalità, o combinazioni di modi) competono tra loro per l'energia e che il laser seleziona quindi il modello che riduce al minimo la perdita di energia. Questo "processo di selezione" potrebbe essere vagamente paragonato alla selezione naturale come descritto nella teoria dell'evoluzione di Darwin, dove i membri di una specie che si adattano meglio al loro ambiente tendono a sopravvivere e a produrre più prole. Allo stesso modo, i modelli di laser (cioè, modi) che sfruttano al meglio le proprie risorse energetiche finiscono per dominare gli altri.

Poco dopo l'invenzione del laser, i fisici hanno iniziato a rendersi conto che questa "competizione" tra le modalità può essere controllata in modo tale da far sì che la tecnologia produca impulsi notevolmente brevi, un fenomeno che ora è noto come mode-locking. Questo fenomeno di sincronizzazione coinvolge molte delle modalità del laser che oscillano insieme, formando impulsi di diversi femtosecondi (10 ^-15 ss).

Il blocco della modalità avviene quando i progettisti di laser introducono un elemento nella cavità del laser che impone che il modello laser che utilizza l'energia in modo più efficiente si trasformi nel modello che massimizza l'intensità di picco del campo elettrico del laser. Questo schema risulta essere quello in cui molte modalità si attivano simultaneamente con una fase sincronizzata. Dalla sua scoperta, il blocco della modalità è stato sfruttato in molti dispositivi, comprese ottiche ad alto campo e pettini di frequenza.

Finora, questo fenomeno di sincronizzazione è stato quasi sempre descritto come l'auto-organizzazione della luce in un'unica dimensione, quello del tempo. Ciò nonostante, potrebbe anche essere potenzialmente inteso come un fenomeno tridimensionale, manifestandosi sia nel tempo che nello spazio.

Ricercatori della Cornell University, lavorare con un team di collaboratori esterni, hanno recentemente introdotto un approccio teorico che potrebbe aiutare a comprendere meglio il blocco della modalità spaziotemporale 3D. La loro teoria, presentato in un articolo pubblicato in Fisica della natura , si basa su una serie di osservazioni raccolte nei loro studi precedenti.

"Nel 2017, Ho scoperto che il blocco della modalità era molto più generale di quanto fosse apprezzato prima, "Dott. Logan G. Wright, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Piuttosto che essere possibile solo in progetti laser molto vincolati, Ho scoperto che il blocco della modalità potrebbe verificarsi anche in cavità laser "cattive" con molte modalità complicate. Questo processo generale di blocco della modalità è chiamato blocco della modalità spazio-temporale".

L'osservazione del Dr. Wright sul blocco della modalità spaziotemporale ha sorpreso molti ricercatori all'interno della comunità dei fisici, poiché suggeriva che la maggior parte delle teorie precedenti sul fenomeno fossero eccessivamente semplificate. Il suo lavoro ha essenzialmente rivelato che la fisica del laser potrebbe essere molto più "creativa" di quanto si aspettasse la maggior parte dei fisici.

"In questo nuovo studio, volevamo capire quanto potesse essere adattivo il laser nel trovare soluzioni complicate a questo problema di ottimizzazione e se esistesse un modo più generale per capire come i laser risolvono questo problema, "Il dottor Wright ha detto. "In altre parole, sta ancora solo facendo il miglior uso dell'energia o c'è dell'altro?"

Il Dr. Wright e i suoi colleghi hanno escogitato un nuovo approccio teorico chiamato "dissettore attrattore, " che potrebbe aiutare a capire meglio come il fenomeno di blocco della modalità spaziotemporale riportato nel loro lavoro precedente può portare a una selezione "darwiniana" tra i modelli laser. Dopo aver verificato la loro teoria raccogliendo misurazioni dettagliate, i ricercatori hanno dimostrato che i modelli di luce abbastanza complessi abilitati dal blocco della modalità spaziotemporale possono generalmente essere riconciliati con la pressione di selezione delle modalità e la loro necessità di utilizzare l'energia in modo efficiente.

"In breve, abbiamo preso una rigorosa descrizione matematica del laser e l'abbiamo considerato come un problema di ottimizzazione che il laser sta cercando di risolvere, " ha spiegato il dottor Wright. "Questa descrizione matematica è ridicolmente complicata da affrontare in generale, ma in casi estremi, siamo riusciti a ridurre il problema dell'ottimizzazione all'ottimizzazione di una singola variabile. Almeno in questi casi, potremmo dimostrare che il laser sembra funzionare per massimizzare l'efficienza energetica."

La teoria proposta dal Dr. Wright e dai suoi colleghi fornisce un modello per ciascuno dei diversi tipi di impulsi 3D che hanno osservato nel blocco della modalità spaziotemporale. Questo può a sua volta aiutare a identificare gli effetti intracavitari responsabili della loro formazione e stabilità.

Globale, i risultati raccolti dal Dr. Wright e dai suoi colleghi sono allineati con la precedente comprensione del mode-locking, tuttavia suggeriscono che il fenomeno può essere di natura molto più creativa e complessa di quanto inizialmente pensato. I ricercatori hanno anche dimostrato che le intuizioni precedenti sul blocco della modalità non sempre reggono, soprattutto quando un problema è molto complesso.

"I laser multimodali possono essere un luogo in cui gli sperimentatori possono studiare l'auto-organizzazione e la competizione di tipo darwiniano in contesti molto complessi (ben oltre ciò che può essere simulato su computer convenzionali), ma che nondimeno può essere controllato (a differenza della maggior parte delle popolazioni di animali in natura, Per esempio), " Wright ha detto. "Così, possono essere un buon posto per i fisici per capire come i sistemi complessi naturali si auto-organizzano".

Utilizzando il loro approccio teorico, Il Dr. Wright e i suoi colleghi sono stati in grado di identificare diversi tipi di blocco della modalità spaziotemporale 3D, che non hanno analoghi in una singola dimensione. I loro risultati potrebbero quindi aiutare a scoprire forme più complesse di luce coerente, che possono avere importanti implicazioni sia per la ricerca che per lo sviluppo tecnologico.

"I laser sono stati di enorme importanza nel consentire agli scienziati di spingere le frontiere della misurazione e della sperimentazione:in fisica e chimica, la maggior parte dei premi Nobel si basa su una tecnica di misurazione o sperimentale resa possibile da una particolare capacità del laser, " Ha detto il dottor Wright. "Quindi, anche se non possiamo ancora essere troppo specifici, siamo entusiasti di ciò che le nuove funzionalità laser potrebbero alla fine consentire per le applicazioni scientifiche (e industriali)."

Spiegando come funziona la tecnologia laser in regimi complessi, l'approccio e le osservazioni presentate dal Dr. Wright e dai suoi colleghi potrebbero aprire la strada allo sviluppo di nuovi tipi di laser con capacità e caratteristiche diverse. La teoria dei ricercatori potrebbe anche migliorare l'attuale comprensione di come la fisica complessa equivalga all'ottimizzazione naturale, potenzialmente informare la progettazione di nuovi algoritmi di ottimizzazione e intelligenza artificiale.

"Alla NTT Research, nel Laboratorio di Fisica e Informatica, Ora sto lavorando per capire come i sistemi fisici naturali eseguono i calcoli e come possiamo sfruttare questi calcoli, " Wright ha detto. "All'interno di questo obiettivo, la capacità del laser multimodale di risolvere complessi problemi di ottimizzazione lo rende un ottimo sistema sperimentale, e stiamo lavorando attivamente per progettare macchine ottiche correlate che sfruttino questa capacità per eseguire simulazioni e risolvere complessi problemi combinatori. Un passo importante su cui mi sto attualmente concentrando consiste nel cercare di capire il possibile ruolo che gli effetti quantistici possono avere sui calcoli naturali".

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