科学家发现控制光混沌行为的新系统
利用和控制光对于能量收集、计算、通信和生物医学传感等技术的发展至关重要。然而，在现实场景中，光行为的复杂性给其有效控制带来了挑战。物理学家安德烈亚·阿卢 (Andrea Alù) 将混沌系统中的光行为比作台球游戏中的初始击球。
纽约市立大学研究生中心爱因斯坦物理学教授、纽约市立大学光子学项目创始主任阿鲁说：“在台球运动中，发射母球方式的微小变化将导致球在球台周围弹跳的不同模式。”纽约市立大学高级科学研究中心特聘教授。“光线在混沌空腔中以类似的方式运作。通过建模来预测会发生什么变得很困难，因为您可以使用类似的设置多次运行实验，并且每次都会得到不同的响应。”
在《自然物理学》上发表的一项新研究中，由纽约市立大学研究生中心的研究人员领导的一个团队描述了一个新平台，通过利用光本身定制光的散射模式来控制光的混沌行为。该项目由共同第一作者、Alù实验室前博士后研究员、现为西顿霍尔大学物理学助理教授的Xuefeng Jiang和Alù实验室的研究生Shixiong Yin领导。
研究光行为的传统平台通常使用圆形或规则形状的谐振腔，其中光以更可预测的模式反弹和散射。例如，在圆形空腔中，只有可预测且不同的频率(光的颜色)存在，并且每个支持的频率都与特定的空间图案或模式相关联。Jaing 说，单一频率的一种模式足以理解圆形腔中的物理原理，但这种方法并不能完全释放复杂平台中光行为的复杂性。
Jaing 说：“在支持混沌光图案的腔体中，注入腔体的任何单一频率都可以激发数千种光图案，这通常被认为注定了控制光学响应的机会。” “我们已经证明，控制这种混乱的行为是可能的。”
为了应对这一挑战，该团队设计了一个大型体育场形状的空腔，其顶部开放，两侧有两个通道，可将光线引导到空腔中。当入射光从墙壁上散射并四处反射时，上方的摄像机记录了从体育场逸出的光量及其空间模式。
该设备两侧设有旋钮，用于管理两个输入的光强度以及它们之间的延迟。Alù 表示，相对的通道导致光束在体育场腔内相互干扰，从而通过称为相干控制的过程来控制另一束光束的散射，本质上是用光来控制光。值得注意的是，通过调整进入两个通道的光束的相对强度和延迟，研究人员一致地改变了腔外光的辐射模式。
这种控制是通过光在谐振腔中的一种罕见行为实现的，称为“无反射散射模式”(RSM)，这种行为之前已在理论上预测过，但在光学腔系统中并未观察到。Yin 表示，这项工作中展示的操纵 RSM 的能力可以有效激发和控制复杂的光学系统，这对能量存储、计算和信号处理具有重要意义。
“我们发现，在某些频率下，我们的系统可以支持两个独立、重叠的 RSM，这会导致所有光线进入体育场空腔，而不会反射回我们的通道端口，从而实现控制，”Yin 说道。“我们的演示处理的是我们日常生活中使用的光纤带宽内的光信号，因此这一发现为复杂光学平台中更好地存储、路由和控制光信号铺平了新的途径。”
研究人员的目标是在未来的研究中加入更多的旋钮，提供更多的自由度来揭示光行为的进一步复杂性。
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