Международная команда исследователей провела эксперименты с оптоволокном, имеющим жидкий сердечник, который был заморожен для создания резких фазовых переходов. Результаты показали, что такой подход открывает новые перспективы для нейроморфных вычислений.

Изменения свойств при фазовых переходах

При переходе вещества из одной фазы в другую его характеристики существенно меняются. Например, лава при охлаждении становится твердым камнем, а замороженная резиновая подошва обуви становится хрупкой. Физические, электрические и механические свойства, а также показатели преломления и плотность вещества изменяются, что влияет на прохождение света через материал.

Особенности оптоволокна с жидким сердечником

Традиционное оптоволокно изготавливается вытягиванием тонкой нити из расплавленного стекла, по которой свет может передаваться на большие расстояния. Существуют и другие типы оптоволокна, например, с полым сердечником, который может быть заполнен различными газами или жидкостями. Такие системы используются в детекторах, волоконных лазерах и эндоскопах, а также могут функционировать как миниатюрные химические лаборатории или точные термометры.

Новый тип оптоволокна

Исследователи разработали оптоволокно из кварцевого стекла с полостью, заполненной жидким сероуглеродом (CS₂). Для экспериментов сердечник замораживали до 77 Кельвинов в атмосфере азота. В результате система показала значительно более высокую эффективность по сравнению с обычным оптоволокном.

В ходе экспериментов было зафиксировано рассеяние Мандельштама — Бриллюэна, что свидетельствует о сильной связи между светом и звуком в выбранной среде. Фазовый переход создает область с резко изменяющимся показателем преломления, что приводит к значительному усилению эффекта Бриллюэна.

Результаты экспериментов

В замороженном оптоволокне с жидким сердечником коэффициент усиления Бриллюэна оказался в 1000 раз выше, чем в стандартных оптоволокнах, превышая 3000 Вт⁻¹·м⁻¹. Для достижения такого результата использовался отрезок волокна длиной всего 27,5 сантиметра и лазер с низкой мощностью накачки (0,03 милливатта).

Оптоакустическая память

На основе нового волокна была создана оптоакустическая память. Информация передавалась от быстрой световой волны к более медленным звуковым волнам, а затем преобразовывалась обратно в свет. Акустические волны дольше сохраняют информацию о световом излучении, что позволяет считывать данные при обратном преобразовании. Эта технология может снизить энергозатраты в фотонных нейроморфных вычислениях на волокне.

Перспективы применения

Разработка открывает возможности для создания новых физических платформ с экстремальными нелинейными свойствами и простотой эксплуатации. Высокая эффективность оптоакустической памяти и сильная связь света и звука могут быть использованы не только в нейроморфных вычислениях, но и в квантовой обработке информации, микроволновой фотонике и высокоточных измерениях.