En enkel droppe olivolja i ett system av fotoner som studsar mellan två speglar har avslöjat universella aspekter av fasövergångar i fysiken. Forskare vid AMOLF använde en oljefylld optisk kavitet där ljus genomgår fasövergångar liknande de i kokande vatten. Systemet de studerade har minne eftersom oljan får fotoner att interagera med sig själva. Genom att variera avståndet mellan de två speglarna och mäta ljusöverföringen genom kaviteten, de upptäckte en universell lag som beskriver fasövergångar i system med minne. Dessa resultat publiceras den 15 april i Fysiska granskningsbrev .

Forskargruppen Interacting Photons vid AMOLF studerar olinjäritet och brus i fotoniska system. Ett av sådana system är en hålighet, bildas av två speglar som är vända mot varandra på nära avstånd. Inuti kaviteten, ljuset studsar fram och tillbaka när det reflekteras av speglarna. Att sätta något i en sådan optisk hålighet, ändrar systemets egenskaper. "Vi skapade ett system med minne genom att placera en droppe olivolja inuti kaviteten, " säger gruppledaren Said Rodriguez. "Oljan förmedlar effektiva foton-fotoninteraktioner, som vi kan se genom att mäta överföringen av laserljus genom denna kavitet."

Skanningshastighet

Rodriguez och hans Ph.D. Studenterna Zou Geng och Kevin Peters analyserade transmissionen samtidigt som de ökade och minskade avståndet mellan de två speglarna i olika hastigheter. De fann att mängden ljus som överförs genom kaviteten beror på speglarnas rörelseriktning. "Ljusöverföringen genom kaviteten är icke-linjär. På ett visst avstånd mellan speglarna, mängden transmitterat ljus beror på om vi öppnar kaviteten eller stänger den, " Rodriguez förklarar. "Detta beteende kallas hysteres. Det observeras också i vissa fasövergångar, som i kokande vatten eller magnetiska material."

Universell

Dock, i håligheten med olivolja, hysteres är inte alltid närvarande, forskarna observerade när de ökade hastigheten med vilken håligheten öppnas och stängs. Rodriguez:"I snabbare skanningar, vi såg hysteresen försvinna som en funktion av skanningshastigheten. Detta sker i en universell takt, oberoende av parametrar som ljusintensitet eller styrkan på icke-linjäriteten. Ekvationerna som beskriver hur ljus beter sig i vår oljefyllda hålighet liknar de som beskriver samlingar av atomer, supraledare och till och med högenergifysik. Därför, det universella beteendet vi upptäckt kommer sannolikt också att observeras i sådana system."

Koppla hålrum

Även om det skulle vara intressant att undersöka det universella skalningsbeteendet i andra system med minne, Rodriguez kommer att hålla fokus på oljefyllda håligheter. "Vårt system har en stark optisk icke-linjäritet vid rumstemperatur, som erbjuder möjligheter för potentiella tillämpningar, " säger han. "Vi undersöker för närvarande vad som händer när vi kopplar ihop två eller flera hålrum. Eftersom varje system har minne, en rad hålrum kan så småningom vara användbart som ett beräkningsverktyg, eller kanske till och med i avkänningsapplikationer."