Фізики з США і Великобританії вперше експериментально отримали «фотонні краплі» - конфігурації електромагнітних полів, які виникають у нелінійному нелокальному оптичному середовищі за рахунок врівноваження сил притягування і відштовхування. Для цього вчені стежили за еволюцією тимчасового профілю та орбітальним моментом лазерного пучка, що поширюється в склі SF6, і порівнювали їх з результатами теоретичних розрахунків. Стаття опублікована в, препринт роботи викладено на сайті arXiv.org.
У вакуумі електромагнітні хвилі не можуть взаємодіяти один з одним завдяки лінійності рівнянь Максвелла (якщо знехтувати квантовими ефектами). Диференційне рівняння називається лінійним, якщо для будь-яких функцій і, які його вирішують, функція = + теж є рішенням. Іншими словами, в лінійних рівняннях немає членів, які «перемішують» рішення, що зустрілися в одній точці. У разі рівнянь Максвелла це означає, що електромагнітні хвилі не можуть «відчути» присутність один одного, а сигнали складної форми поступово «розповзаються» при русі в просторі.
Тим не менш, у нелінійних середовищах, в яких коефіцієнт заломлення і діелектрична проникність сильно змінюються залежно від амплітуди або частоти хвилі, ці твердження невірні. Навпаки, в нелінійних середовищах електромагнітні хвилі можуть взаємодіяти один з одним і формувати складні структури, які зберігають свою форму при русі крізь середовище. Такі структури називаються. Зрозуміло, солітони виникають не тільки в оптиці, а й в інших системах, які описуються нелінійними рівняннями - наприклад, у гідродинаміці (рівняння Кортевега - де Фріза) або в живих організмах (нервовий імпульс). Більш детально про ці явища можна прочитати в статті доктора технічних наук А. Голубєва. Вперше оптичні солітони були теоретично передбачені в 1973 році американськими фізиками Акірою Хасегавою (Akira Hasegawa) і Фредом Таппертом (Fred Tappert), а перше експериментальне підтвердження було отримано в 1980 році.
У січні цього року група вчених під керівництвом Мануеля Валіенте (Manuel Valiente) ввела поняття «фотонної краплі» - конфігурації електромагнітних полів кінцевого розміру, яка мимоволі стабілізується за рахунок протидії сил притягування і відштовхування і зберігає свій розмір, форму і щільність в результаті впливу зовнішніх обурень. По суті своєї «фотонні краплі» дуже схожі на солітони, однак вони не зобов'язані зберігати свою форму при поширенні крізь середовище - «фотонна крапля» збігається з солітоном тільки в основному стані, тоді як збуджена «крапля» може змінюватися під час руху. У цій теоретичній статті вчені показали, що «фотонні краплі» повинні виникати в результаті «протиборства» нелінійних членів, які відповідальні за розсіювання в - хвилі і - хвилі, яке призводить до утворення - симетричного основного стану з нульовим орбітальним моментом. Крім того фізики показали, що за допомогою «фотонних крапель» зручно описувати поширення потужного лазерного променя крізь нелінійне нелокальне середовище, а також помітили, що «фотонні краплі» нагадують краплі одномірного рідкого гелію і краплі рівняння стану (EOS droplets) в конденсаті Бозе - Ейнштейна.
Цього разу та ж група вчених вперше підтвердила існування «фотонних крапель» у прямому експерименті. Для цього дослідники направили зелений лазерний пучок (^ = 532 нанометри) з -симетричним профілем на леговане свинцем скло, показник заломлення якого лінійно залежить від температури (SF6). Для надання профілю потрібної форми вчені використовували просторовий модулятор світла. Поширення електричного поля в такому склі описується нелокальним рівнянням Шредінгера. Нелокальність в даному випадку означає, що потенціал взаємодії (ефективний коефіцієнт заломлення) задається інтегралом по всьому простору, тобто поведінка поля в точці визначається станом середовища в цілому. Щоб теоретично оцінити цей потенціал, вчені вибирали анзац для напруженості пучка і виписували коефіцієнт заломлення середовища в мультипольному наближенні (розкладання до четвертого порядку), а потім наближено порахували інтеграл. Це дозволило вченим оцінити псевдоенергію «фотонної краплі» в залежності від радіусу краплі < > і відношення амплітуд ^ = =/+, які пов'язані зі станами, що мають негативний і позитивний орбітальний момент.
Потім вчені досліджували еволюцію форми і коефіцієнтів < > і порожніх для «фотонних крапель», які поширювалися крізь скло в реальному експерименті. Для цього фізики розрізали 40-сантиметровий шар скла на чотири ділянки товщиною 10 сантиметрів і знімали за допомогою камери профілі електромагнітного поля на виході зі зразка. Змінюючи кількість ділянок, дослідники керували довжиною оптичного шляху пучка і стежили за еволюцією форми «краплі». В іншій серії дослідів фізики замінювали камеру просторовим модулятором світла, щоб розкласти «краплю» на моди з різним значенням орбітального моменту, і вимірювали значення, залежно від довжини шляху. Порівнюючи залежності, отримані експериментально, з результатами теоретичних розрахунків, вчені підтвердили, що поширення лазерного пучка дійсно можна описати за допомогою «фотонних крапель». Таким чином, фізики вперше побачили освіту «фотонних крапель» на практиці.
У жовтні 2017 року бразильські дослідники теоретично передбачили, що за рахунок комбінаційного розсіювання фотони можуть зв'язуватися в пари, що нагадують куперівські пари в надпровідниках, а потім побачили цей ефект на практиці. А в лютому цього року американські фізики вперше отримали фотонні тримери - пов'язані статки з трьох фотонів. Для цього вчені направляли лазерні імпульси в нелінійне квантове середовище (бозе-конденсат атомів рубідію) і домагалися формування рідбергівських поляритонів.