물리학

물리학을 전공하는 학생이라면 누구나 빛이 다른 광선의 영향을 받지 않고 직선으로 움직인다는 사실, 즉 두 개의 손전등에서 나오는 광선이 서로 반사되지 않는다는 사실을 광학의 첫 수업에서 알고 있습니다. 그러나 독일 프리드리히 쉴러 대학교 예나(Friedrich Schiller University Jena)의 마틴 위머(Martin Wimmer)와 동료들은 소위 합성 차원에 기초한 기술을 사용하여 초유체로서 상호 작용하고 집합적으로 행동하는 빛의 펄스를 생성했습니다[1]. 이를 통해 그들은 이것이 많은 물리학 분야의 핵심 기능인 다체 상호 작용, 토폴로지 및 소산 간의 상호 작용을 탐색하기 위한 조정 가능한 플랫폼임을 입증했습니다.

이러한 실험에 중요한 합성 차원을 이해하려면 일반적인 공간 차원이 "국소성" 개념과 결합된 일련의 위치를 ​​통해 정의된다는 점에 유의하세요. 입자는 가까운 위치와만 상호 작용하고 이동할 수 있습니다. 합성 차원은 비공간 자유도를 사용하여 이 지역성을 복제합니다. 이는 공간 차원에 비해 엔지니어링 및 측정에 더 큰 유연성을 제공할 수 있습니다. 연구자들은 이전에 스핀-궤도 결합 및 다양한 토폴로지 현상을 비롯한 흥미로운 물리학을 연구하는 데 사용했던 여러 플랫폼에서 합성 치수를 구현하여 이러한 이점을 활용했습니다[2, 3].

빛의 합성 차원을 실현하기 위해 Wimmer와 동료들은 광 펄스의 도착 시간이 위치의 아날로그 역할을 하는 실험 설정인 광학 메시 격자를 사용합니다(그림 1). 실험에서 시간은 간격 T로 나누어지고, 각 간격은 이산 시간 단계 t=1,2,…를 나타냅니다. 격자(x=…,−2,−1,0,−1,2,…)의 사이트에 해당하는 이산 위치는 Δt에 의해 서로 분리된 하위 간격으로 이 시간 순서에 매핑됩니다. 예를 들어, T에 도달하는 펄스는 격자 위치 x=0을 나타내고, T−Δt에 도달하는 펄스는 x=−1을 나타냅니다. 하나의 격자 위치에서 다른 격자 위치로(예: -1에서 -2로) 이동하는 것은 T에 대한 광 펄스의 도착 시간의 변화에 ​​해당합니다(이 경우 T−Δt에서 T−2Δt로). 이 프로세스는 실제 공간의 움직임을 모방합니다. 입자는 가까운 지점을 통과해야만 공간에서 이동할 수 있으므로 합성 차원의 아날로그는 가까운 격자 사이트로만 이동할 수 있습니다.

합성 차원에서 이러한 움직임을 구현하기 위해 연구진은 빔 스플리터를 통해 길이가 약간 다른 두 개의 광섬유 케이블 루프를 연결했습니다. 빛은 T−Δt 시간의 짧은 루프 주위와 T+Δt의 긴 루프 주위로 전파됩니다. 따라서 합성 위치 x 및 합성 시간 단계 t의 광 펄스는 각각 짧은 루프 또는 긴 루프를 통과하는 경우 시간 단계 t+1에서 x−1 또는 x+1로 이동됩니다. 펄스가 루프를 완료한 후 빔 분할기는 이를 두 개의 루프를 통해 계속되는 두 개의 동일한 부분으로 분할합니다.

이 합성 모션은 그 자체로는 그다지 흥미롭지 않지만 합성 차원이 실현되는 특정 물리적 시스템은 강력한 기능을 허용합니다. 여기서 실험에 사용된 광섬유의 비선형 유전 반응은 전력 의존적 위상 변이를 생성합니다. 이는 여러 광 펄스가 루프 내에서 중첩될 때 상호 작용한다는 것을 의미합니다. 이러한 상호 작용은 시스템의 동작을 이상 기체의 동작에서 유체와 같은 특성을 갖는 동작으로 변경합니다. 이러한 빛-빛 상호 작용을 나타내는 광학 메시 격자는 이전에 솔리톤[4, 5] 및 비 에르미트 위상 효과[6-8]와 같은 현상을 연구하는 데 사용되었지만 상호 작용 및 운동에서 발생하는 유체 특성, 특히 초유체- 흐름처럼 – 지금까지 관찰되지 않았습니다.

Wimmer와 동료들은 이 빛의 유체에서 "소리"의 속도를 측정합니다. 여기서 소리는 합성 차원에서 전파되는 파동을 의미합니다. 그들의 기술은 연못에 돌을 떨어뜨리는 것과 비슷합니다. 연못 물의 일부를 밀어냄으로써 돌이 잔물결을 일으키고 이는 물결의 속도로 퍼집니다. 이 실험에서 "연못"은 약 10개의 합성 현장에 걸쳐 있는 대략 균질한 유체입니다. "돌"은 연구원들이 유체 중심에 있는 두 곳의 장소 주위에 생성하는 반발력입니다. 이 반발력은 가벼운 초유체의 음속으로 합성 차원에서 바깥쪽으로 전파되는 빛의 파문을 생성합니다. 잔물결이 어떻게 전파되는지에 대한 측정은 유체역학 이론과 질적으로 일치합니다(실험적 불완전성으로 인해 일부 편차가 있을 수 있음). 특히, 빛은 소산되지 않고 장애물을 통과하는 초유체처럼 작용합니다.