La tecnología láser confina la luz dentro de un resonador que contiene un medio de ganancia, un material con propiedades cuánticas que puede amplificar la luz. Como los resonadores láser son generalmente mucho más grandes que la longitud de onda de la luz, el láser dentro de sus cavidades puede ocurrir en una amplia gama de patrones, que se conocen como modos.

Estudios de física anteriores han encontrado que los posibles patrones de láser (es decir, modos, o combinaciones de modos) compiten entre sí por la energía y luego el láser selecciona el patrón que minimiza la pérdida de energía. Este 'proceso de selección' podría compararse libremente con la selección natural como se describe en la teoría de la evolución de Darwin, donde los miembros de una especie que se adapta mejor a su entorno tienden a sobrevivir y producir más descendencia. Similar, los patrones de láser (es decir, modos) que aprovechan al máximo sus recursos energéticos acaban dominando a los demás.

Poco después de que se inventaran los láseres, Los físicos comenzaron a darse cuenta de que esta 'competencia' entre modos se puede controlar de una manera que hace que la tecnología produzca pulsos notablemente cortos. un fenómeno que ahora se conoce como bloqueo de modo. Este fenómeno de sincronización implica que muchos de los modos del láser oscilen juntos, formando pulsos de varios femtosegundos (10 ^-15 ss).

El bloqueo de modo tiene lugar cuando los diseñadores de láser introducen un elemento en la cavidad del láser que obliga a que el patrón láser que usa energía de manera más eficiente se convierta en el patrón que maximiza la intensidad máxima del campo eléctrico del láser. Este patrón resulta ser uno en el que muchos modos funcionan simultáneamente con una fase sincronizada. Desde su descubrimiento, el bloqueo de modo se ha aprovechado en muchos dispositivos, incluyendo ópticas de campo alto y peines de frecuencia.

Hasta aquí, este fenómeno de sincronización casi siempre se ha descrito como la autoorganización de la luz en una sola dimensión, el del tiempo. Sin embargo, también podría entenderse potencialmente como un fenómeno tridimensional, manifestándose tanto en el tiempo como en el espacio.

Investigadores de la Universidad de Cornell, trabajando con un equipo de colaboradores externos, han introducido recientemente un enfoque teórico que podría ayudar a obtener una mejor comprensión del bloqueo de modo espaciotemporal 3-D. Su teoría, presentado en un artículo publicado en Física de la naturaleza , se basa en una serie de observaciones recopiladas en sus estudios anteriores.

"En 2017, Descubrí que el bloqueo de modo era mucho más general de lo que se pensaba antes, "Dr. Logan G. Wright, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "En lugar de ser posible solo en diseños láser muy limitados, Descubrí que el bloqueo de modo podría ocurrir incluso en cavidades láser "malas" con muchos modos complicados. Este proceso de bloqueo de modo general se denomina bloqueo de modo espaciotemporal ".

La observación del Dr. Wright del bloqueo de modo espacio-temporal sorprendió a muchos investigadores dentro de la comunidad física, ya que sugirió que la mayoría de las teorías anteriores sobre el fenómeno estaban simplificadas en exceso. Su trabajo esencialmente reveló que la física del láser puede ser mucho más "creativa" de lo que la mayoría de los físicos esperaban.

"En este nuevo estudio, Queríamos entender cuán adaptable podría ser el láser para encontrar soluciones complicadas a este problema de optimización y si había una forma más general de entender cómo los láseres resuelven este problema. "Dijo el Dr. Wright." En otras palabras, ¿Sigue haciendo el mejor uso de la energía o hay más cosas que hacer? "

El Dr. Wright y sus colegas idearon un nuevo enfoque teórico llamado 'disector atractor, "lo que podría ayudar a comprender mejor cómo el fenómeno de bloqueo de modo espacio-temporal informado en su trabajo anterior puede conducir a una selección" darwiniana "entre patrones de láser. Después de verificar su teoría mediante la recopilación de medidas detalladas, Los investigadores demostraron que los patrones de luz bastante complejos habilitados por el bloqueo de modo espacio-temporal generalmente pueden reconciliarse con la presión de selección de los modos y su necesidad de usar la energía de manera eficiente.

"En breve, tomamos una descripción matemática rigurosa del láser y lo consideramos como un problema de optimización que el láser está tratando de resolver, "Explicó el Dr. Wright." Esta descripción matemática es ridículamente complicada de manejar en general, pero en casos extremos, pudimos reducir el problema de optimización a la optimización de una sola variable. Al menos en estos casos, pudimos demostrar que el láser parece estar funcionando para maximizar la eficiencia energética ".

La teoría propuesta por el Dr. Wright y sus colegas proporciona un modelo para cada uno de los diferentes tipos de pulsos 3-D que observaron en el bloqueo de modo espacio-temporal. Esto, a su vez, puede ayudar a identificar los efectos intracavitarios responsables de su formación y estabilidad.

En general, los hallazgos recopilados por el Dr. Wright y sus colegas están alineados con la comprensión previa del bloqueo de modo, sin embargo, sugieren que el fenómeno puede ser de una naturaleza mucho más creativa y compleja de lo que se pensó inicialmente. Los investigadores también demostraron que las intuiciones previas con respecto al bloqueo de modo no siempre se cumplen, particularmente cuando un problema es muy complejo.

"Los láseres multimodo pueden ser un lugar donde los experimentadores pueden estudiar la autoorganización y la competencia darwiniana en entornos que son muy complejos (mucho más allá de lo que se puede simular en computadoras convencionales), pero que, no obstante, se puede controlar (a diferencia de la mayoría de las poblaciones de animales en la naturaleza, por ejemplo), "Dijo Wright." Por lo tanto, pueden ser un buen lugar para que los físicos comprendan cómo se autoorganizan los sistemas complejos naturales ".

Usando su enfoque teórico, El Dr. Wright y sus colegas pudieron identificar varios tipos diferentes de bloqueo de modo espacio-temporal 3-D, todos los cuales no tienen análogos en una sola dimensión. Sus resultados podrían ayudar a descubrir formas más complejas de luz coherente, lo que puede tener importantes implicaciones tanto para la investigación como para el desarrollo tecnológico.

"Los láseres han tenido una importancia monumental para permitir a los científicos ampliar las fronteras de la medición y la experimentación:en física y química, la mayoría de los premios Nobel se basan en una técnica de medición o experimental que ha sido habilitada por una capacidad láser particular, ", Dijo el Dr. Wright." Así que, aunque no podemos ser demasiado específicos todavía, estamos entusiasmados con las nuevas capacidades láser que, en última instancia, pueden permitir para aplicaciones científicas (e industriales) ".

Al explicar cómo funciona la tecnología láser en regímenes complejos, el enfoque y las observaciones presentados por el Dr. Wright y sus colegas podrían allanar el camino para el desarrollo de nuevos tipos de láseres con diferentes capacidades y características. La teoría de los investigadores también podría mejorar la comprensión actual de cómo la física compleja equivale a la optimización natural, potencialmente informando el diseño de nuevos algoritmos de optimización e inteligencia artificial.

"En NTT Research, en el Laboratorio de Física e Informática, Ahora estoy trabajando para comprender cómo los sistemas físicos naturales realizan cálculos y cómo podemos aprovechar estos cálculos, ", Dijo Wright." Dentro de este objetivo, La capacidad del láser multimodo para resolver problemas complejos de optimización lo convierte en un sistema experimental de primera, y estamos trabajando activamente para diseñar máquinas ópticas relacionadas que aprovechen esta capacidad para realizar simulaciones y resolver problemas combinatorios complejos. Un paso importante en el que me estoy centrando actualmente implica tratar de comprender el posible papel que pueden tener los efectos cuánticos en los cálculos naturales ".

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