Группа исследователей из разных стран приняла решение о криогенной обработке оптоволокна с жидким ядром для достижения выраженных фазовых изменений. Проведенные исследования продемонстрировали, что данная методика предоставляет перспективные направления в области нейроморфных вычислений.

При переходе вещества из одного агрегатного состояния в другое наблюдается существенная модификация его характеристик. Например, расплавленная порода остывает и затвердевает, превращаясь в камень; резиновая подошва обуви при замерзании становится ломкой, а пары этилового спирта легче воспламеняются, чем жидкость. Меняются физические параметры, такие как электрическая проводимость, прочность на разрыв, показатель преломления и плотность – то есть изменяется способ распространения света через вещество.

Оптоволокно создаётся посредством вытягивания тонкой нити из расплавленного стекла. Инженеры разработали технологию быстрой передачи световых сигналов на значительные расстояния по сердечнику оптоволоконного кабеля. Однако существуют и другие типы волокон. детекторов, для создания волноводных структур, лазеров с оптическим усилением и эндоскопического оборудования применяют пустотелые оптоволокна. Специалисты заполняют свободное пространство в сердечнике различными газами или жидкостями. Такая конструкция способна функционировать как миниатюрная химическая установка или высокоточный измеритель температуры.

Международный коллектив ученых создал принципиально иной вид оптического волокна. Процесс изготовления включал криогенную заморозку жидкого сердечника оптоволокна в среде азота, что позволило достичь существенного улучшения характеристик по сравнению с классическими аналогами. О результатах этой работы было написано опубликована в журнале Optica.

«Ключевым моментом является то, что замерзший участок сердцевины сохранял способность передавать оптический сигнал. Кроме того, как жидкая, так и затвердевшая составляющие способны проводить ультразвуковые колебания», — отметил один из разработчиков исследования Саймон Зайдерер ( Simon Seiderer).

Инновационное волокно включает в себя кварцевое стекло, содержащее внутреннюю полость, заполненную жидким сероуглеродом CS₂. Для проведения исследований физики охлаждали материал до температуры 77 кельвинов. В ходе эксперимента наблюдался эффект Мандельштама — Бриллюэна, который хорошо известен при работе с обычным оптоволокном. Это свидетельствует о сильном взаимодействии света и звука в используемой среде связаны друг с другом.

Исследователи предполагают, что изменение фазового состояния вещества приводит к формированию плотной структуры, сконцентрированной на ограниченной территории, где показатель преломлениязначительно трансформируется, что создает предпосылки для колоссального увеличения интенсивности Бриллюэна. В результате оптический импульс существенно усиливается благодаря взаимодействию с акустическими волнами.

Ученым удалось установить, что в замороженном волокне, содержащем жидкую сердцевину, оптоакустическая связь и коэффициент усиления Бриллюэна превышают показатели обычных оптических кабелей во тысячу раз – более 3000 Вт⁻¹·м⁻¹. При этом для достижения подобного эффекта обычно требуется протяженный кабель, однако в ходе эксперимента было использовано всего 27,5 сантиметров и лазер с минимальной мощностью накачки (0,03 милливатта).

Специалисты также смогли создать оптоакустическую память на базе новой структуры. Данные передаются от быстрого светового импульса к гораздо более медленным звуковым колебаниям и затем преобразуются обратно в свет. Акустические волны характеризуются меньшим затуханием и большей дальностью распространения, при этом они содержат информацию о вызвавшем их свете. После преобразования из акустического сигнала в световой можно восстановить исходные данные. Разработка исследователей снизитисследование энергопотребления в системах нейроморфных вычислений на основе фотонов, реализованных с использованием оптического волокна.

«Зафиксировав состояние жидкого ядра, мы разработали принципиально новую физическую основу, характеризующуюся значительными нелинейными эффектами и простотой эксплуатации. Несмотря на то, что демонстрация оптоакустической памяти с высокой эффективностью – впечатляющий дебют, подобная взаимосвязь световых и звуковых волн предоставляет перспективные направления развития не только для нейроморфных вычислений, но и для квантовых операций над информацией, фотоники в микроволновом диапазоне и прецизионного зондирования», — заключил Стиллер.