الليزر ذو الوضع المقفل هو ليزر متقدم ينتج نبضات قصيرة جدًا من الضوء، بفترات تتراوح من الفيمتو ثانية إلى البيكو ثانية. تُستخدم أجهزة الليزر هذه على نطاق واسع لدراسة الظواهر البصرية فائقة السرعة وغير الخطية، ولكنها أثبتت أيضًا فائدتها في العديد من التطبيقات التكنولوجية.
الباحثون في معهد كاليفورنيا تكنولوجيا لقد تم مؤخرًا استكشاف إمكانات الليزر المقفل للوضع كمنصات لدراسة الظواهر الطوبولوجية. ورقتهم المنشورة في فيزياء الطبيعة، يوضح إمكانات هذه الليزرات في دراسة وتحقيق فيزياء طوبولوجية جديدة غير هيرميتية، مع العديد من التطبيقات المحتملة.
"إن فكرة استخدام المتانة الطوبولوجية والحماية الطوبولوجية للأجهزة الضوئية قد اجتذبت اهتمامًا كبيرًا في العقد الماضي، ولكن ما إذا كانت مثل هذه السلوكيات يمكن أن توفر فوائد عملية كبيرة لا تزال غير واضحة"، قال علي رضا ماراندي، المؤلف الرئيسي للورقة البحثية، لموقع Phys.org.
"لقد قمنا باستكشاف هذا السؤال خصيصًا لأجهزة الليزر والأجهزة الضوئية غير الخطية حيث تكون الوظائف غير خطية بطبيعتها. وبالمناسبة، فإن مجال الفيزياء الطوبولوجية يتطور أيضًا حول التفاعل بين الطوبولوجيا واللاخطية، كما أن المنصات التجريبية لمثل هذه الاستكشافات قليلة نسبيًا.
كان الهدف من الدراسة الأخيرة التي أجراها ماراندي وزملاؤه ذو شقين. من ناحية، كانوا يرغبون في فتح فرص جديدة لدراسة السلوكيات الطوبولوجية غير الخطية، بينما من ناحية أخرى، كانوا يرغبون في توسيع التطبيق العملي للفيزياء الطوبولوجية في أجهزة الليزر ذات النمط المقفل.
وأوضح ماراندي: "من منظور تجريبي، فإن منصتنا عبارة عن شبكة مرنان متعددة الإرسال، تتكون من العديد من النبضات المتزامنة في مرنان طويل". "يمكن ربط النبضات ببعضها البعض بطريقة يمكن التحكم بها باستخدام خطوط تأخير دقيقة. يتيح لنا ذلك إنشاء شبكة قابلة للبرمجة من الرنانات واسعة النطاق بمرونة كبيرة. وهذا ليس بالأمر السهل في المنصات الأخرى.
وفي ورقة بحثية سابقة نُشرت في عام 2022، اكتشف الباحثون الظواهر الطوبولوجية في الرنانات الضوئية واسعة النطاق، ولكن على وجه التحديد في النظام الخطي. وكجزء من دراستهم الجديدة، استخدموا نفس الرنانات لتنفيذ أشعة الليزر ذات الوضع المقفل.
وأظهر الفريق أن نمط النبض الذي تنتجه هذه الليزرات يمكن أن يستفيد من الظواهر غير الهرمسية والطوبولوجية. بشكل أساسي، قاموا بإنشاء ليزر طويل التجويف ومتعدد النبضات ومغلق النمط وأدخلوا عقدة بداخله (أي اقتران نبضاته بطريقة طوبولوجية).
وقال ماراندي: "لقد مكنتنا مرونة نهجنا التجريبي من دراسة تقاطع الطوبولوجيا وقفل وضع الليزر وتحقيق الفيزياء الطوبولوجية غير الهرمسية التي لم يتم إثباتها من قبل في الأنظمة الضوئية".
"على سبيل المثال، وجدنا أن التآزر بين الطوبولوجيا غير الهرميتية والديناميكيات غير الخطية لنظامنا قد أنتج تلقائيًا أنماطًا جلدية في الليزر المقفل النمطي. وهذا يتناقض بشكل صارخ مع الأنظمة الطوبولوجية الخطية غير الهرمسية، حيث يجب فحص أنماط الجلد بمصدر خارجي.
يوضح هذا العمل الأخير الذي قام به ماراندي ومعاونوه الوعد باستخدام أشعة الليزر ذات النمط المقفل لدراسة الفيزياء الطوبولوجية التي كان من الصعب حتى الآن الوصول إليها تجريبياً. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لدراستهم أن تلهم استخدام الليزر المقفل لتطوير تقنيات الاستشعار والحوسبة والاتصالات الجديدة.
علاوة على ذلك، استخدم الباحثون في تجاربهم الليزر الذي طوروه لتأكيد متانة النموذج الرياضي المستخدم لدراسة سلوك الجسيمات المتحركة عشوائيًا، والمعروف باسم نموذج هاتانو-نيلسون، ضد التوطين الناجم عن الاضطراب. على الرغم من أن هذا النموذج تمت دراسته على نطاق واسع من قبل، إلا أنه لم يتم عرضه بعد على منصة ضوئية مغلقة الوضع.
وقال ماراندي: "على وجه التحديد، لتحقيق هذا الإدراك، قمنا باستكشاف مدى قوة نموذج هاتانو-نيلسون ضد التوطين الناجم عن الفوضى وكيف يمكن أن يمكّن من تصميم مصادر مشط تردد قوية". "عادة، هذا النوع من القوة ضد شيء ما يتبعه حساسية تجاه شيء آخر."
في دراساتهم القادمة، سيحاول ماراندي وزملاؤه استخدام نهجهم للتحقق من استخدام نموذج هاتانو-نيلسون كمستشعر ذي حساسية معززة. بالإضافة إلى ذلك، يأملون أن تلهم دراستهم فرقًا أخرى لتجربة استخدام أشعة الليزر ذات الوضع المقفل لدراسة الظواهر الفيزيائية الطوبولوجية.
وأضاف ماراندي: "نعتقد أيضًا أن منصتنا يمكن أن تكون أرضًا خصبة لاستكشاف مجموعة كبيرة من الظواهر الطوبولوجية وغير الهرمية غير الخطية التي لا يمكن الوصول إليها بسهولة". "أحد الأمثلة التي نهتم بها هو التفاعل بين تكوين السوليتون والسلوك الطوبولوجي."