A tecnologia laser confina a luz dentro de um ressonador contendo um meio de ganho, um material com propriedades quânticas que podem amplificar a luz. Como os ressonadores a laser são geralmente muito maiores do que o comprimento de onda da luz, lasing dentro de suas cavidades pode ocorrer em uma ampla gama de padrões, que são conhecidos como modos.

Estudos de física anteriores descobriram que possíveis padrões de laser (ou seja, modos, ou combinações de modos) competem entre si por energia e o laser então seleciona o padrão que minimiza a perda de energia. Este 'processo de seleção' pode ser vagamente comparado à seleção natural, conforme descrito na teoria da evolução de Darwin, onde os membros de uma espécie que se adaptam melhor ao seu ambiente tendem a sobreviver e produzir mais descendentes. De forma similar, os padrões de laser (ou seja, modos) que fazem o melhor uso de seus recursos energéticos acabam por dominar os demais.

Logo depois que os lasers foram inventados, os físicos começaram a perceber que essa 'competição' entre os modos pode ser controlada de uma forma que faz com que a tecnologia produza pulsos extremamente curtos, um fenômeno que agora é conhecido como bloqueio de modo. Este fenômeno de sincronização envolve muitos dos modos do laser oscilando juntos, formando pulsos de vários femtossegundos (10 ^-15 WL).

O bloqueio de modo ocorre quando os projetistas de laser introduzem um elemento na cavidade do laser que impõe que o padrão de laser que usa energia de forma mais eficiente se transforme no padrão que maximiza a intensidade de pico do campo elétrico do laser. Esse padrão acaba sendo aquele em que muitos modos ocorrem simultaneamente com uma fase sincronizada. Desde sua descoberta, o bloqueio de modo foi explorado em muitos dispositivos, incluindo óptica de alto campo e pentes de frequência.

Até aqui, este fenômeno de sincronização quase sempre foi descrito como a auto-organização da luz em uma única dimensão, o do tempo. Apesar disso, também pode ser potencialmente entendido como um fenômeno tridimensional, manifestando-se no tempo e no espaço.

Pesquisadores da Cornell University, trabalhar com uma equipe de colaboradores externos, introduziram recentemente uma abordagem teórica que pode ajudar a obter uma melhor compreensão do modo de bloqueio espaço-temporal 3-D. A teoria deles, apresentado em um artigo publicado em Física da Natureza , baseia-se em uma série de observações reunidas em seus estudos anteriores.

“Em 2017, Eu descobri que o bloqueio de modo era muito mais geral do que antes, "Dr. Logan G. Wright, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "Em vez de ser possível apenas em projetos de laser muito restritos, Descobri que o bloqueio de modo pode ocorrer mesmo em cavidades de laser "ruins" com muitos modos complicados. Este processo geral de bloqueio de modo é denominado bloqueio de modo espaço-temporal. "

A observação do Dr. Wright do bloqueio de modo espaço-temporal surpreendeu muitos pesquisadores dentro da comunidade da física, pois sugeria que a maioria das teorias anteriores sobre o fenômeno foram simplificadas demais. Seu trabalho revelou essencialmente que a física do laser pode ser muito mais "criativa" do que a maioria dos físicos esperava.

"Neste novo estudo, queríamos entender o quão adaptável o laser poderia ser para encontrar soluções complicadas para este problema de otimização e se havia uma maneira mais geral de entender como os lasers resolvem esse problema, "Dr. Wright disse." Em outras palavras, ainda está apenas fazendo o melhor uso da energia ou há mais coisas acontecendo? "

Dr. Wright e seus colegas criaram uma nova abordagem teórica chamada 'dissecador de atrator, "o que poderia ajudar a entender melhor como o fenômeno de bloqueio de modo espaço-temporal relatado em seu trabalho anterior pode levar a uma seleção tipo" darwiniana "entre os padrões de laser. Depois de verificar sua teoria por meio da coleta de medidas detalhadas, os pesquisadores mostraram que os padrões bastante complexos de luz habilitados pelo bloqueio de modo espaço-temporal podem geralmente ser reconciliados com a pressão de seleção dos modos e sua necessidade de usar energia de forma eficiente.

"Resumidamente, pegamos uma descrição matemática rigorosa do laser e consideramos isso como um problema de otimização que o laser está tentando resolver, "Dr. Wright explicou." Esta descrição matemática é ridiculamente complicada de lidar em geral, mas em casos extremos, conseguimos reduzir o problema de otimização à otimização de uma única variável. Pelo menos nesses casos, poderíamos mostrar que o laser parece estar trabalhando para maximizar a eficiência energética. "

A teoria proposta pelo Dr. Wright e seus colegas fornece um modelo para cada um dos diferentes tipos de pulsos 3-D que eles observaram no modo de bloqueio espaço-temporal. Isso pode, por sua vez, ajudar a identificar os efeitos intracavitários responsáveis ​​por sua formação e estabilidade.

Geral, as descobertas reunidas pelo Dr. Wright e seus colegas estão alinhadas com o entendimento anterior de bloqueio de modo, no entanto, eles sugerem que o fenômeno pode ser de natureza muito mais criativa e complexa do que se pensava inicialmente. Os pesquisadores também mostraram que as intuições anteriores sobre bloqueio de modo nem sempre são válidas, particularmente quando um problema é muito complexo.

"Os lasers multimodo podem ser um lugar onde os experimentalistas podem estudar a auto-organização e a competição do tipo darwiniana em ambientes que são muito complexos (muito além do que pode ser simulado em computadores convencionais), mas isso, no entanto, pode ser controlado (ao contrário da maioria das populações de animais na natureza, por exemplo), "Disse Wright." Assim, eles podem ser um bom lugar para os físicos entenderem como os sistemas complexos naturais se auto-organizam. "

Usando sua abordagem teórica, Dr. Wright e seus colegas foram capazes de identificar vários tipos diferentes de bloqueio de modo espaço-temporal 3-D, todos os quais não têm análogos em uma única dimensão. Seus resultados podem, portanto, ajudar a descobrir formas mais complexas de luz coerente, que podem ter implicações importantes tanto para a pesquisa quanto para o desenvolvimento tecnológico.

"Os lasers têm sido extremamente importantes para permitir que os cientistas ultrapassem as fronteiras da medição e da experimentação:na física e na química, a maioria dos prêmios Nobel dependem de uma medição ou técnica experimental que foi habilitada por uma capacidade de laser particular, "Dr. Wright disse." Portanto, embora não possamos ser muito específicos ainda, estamos entusiasmados com os novos recursos de laser que podem, em última análise, possibilitar para aplicações científicas (e industriais). "

Ao explicar como a tecnologia laser funciona em regimes complexos, a abordagem e as observações apresentadas pelo Dr. Wright e seus colegas podem abrir caminho para o desenvolvimento de novos tipos de lasers com diferentes capacidades e recursos. A teoria dos pesquisadores também pode melhorar a compreensão atual de como a física complexa equivale à otimização natural, potencialmente informando o projeto de novos algoritmos de otimização e inteligência artificial.

"Na NTT Research, no Laboratório de Física e Informática, Agora estou trabalhando para entender como os sistemas físicos naturais realizam cálculos e como podemos aproveitar esses cálculos, "Disse Wright." Dentro deste objetivo, a capacidade do laser multimodo de resolver problemas complexos de otimização torna-o um sistema experimental principal, e estamos trabalhando ativamente para projetar máquinas ópticas relacionadas que aproveitem essa capacidade de realizar simulações e resolver problemas combinatórios complexos. Uma etapa importante que estou focando atualmente envolve tentar entender o possível papel que os efeitos quânticos podem ter nos cálculos naturais. "

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