Но это так.

Представьте, что вы бросаете в пруд сразу несколько камней. В определенной точке поверхности воды образующиеся кольца ряби смешивались бы, образуя сложный узор. Теперь представьте, что вы можете контролировать форму и скорость каждого кольца. При достаточном планировании вы могли бы получить эту точку сетки для формирования сложных фигур в 3D по требованию.

В течение последних нескольких лет исследователи, по сути, занимались этим со светом. Накладывая друг на друга несколько лазерных лучей с определенными свойствами и направляя их через ряд линз, интерференционные картины могут образовывать стационарный "оптический узел", который выглядит чем-то вроде сложной паутины дымовых колец в нужной точке пространства.

Теперь инженеры из Университета Дьюка продемонстрировали нечто вроде голографической ленты, которая расщепляет один лазерный луч на пять специально подобранных лучей, создающих оптический узел. Опубликованная в серии статей в Nature Communications и Photonics Research, работа показывает, что оптические узлы могут быть использованы в качестве надежного метода передачи закодированной информации или для измерения турбулентности в воздушных карманах.

Команда смогла показать, что информация, заложенная в эти оптические узлы, может пережить воздействие составляющих ее лазеров, проходящих через турбулентный воздух, но не так легко, как первоначально полагали ученые.

"Люди думали, что, поскольку эти формы являются математически стабильными объектами, они должны быть способны передаваться в сложных средах без каких-либо осложнений", - сказала Наталья Личиницер, профессор электротехники и вычислительной техники в Duke. "Как оказалось, стабильность им не гарантирована, но мы можем сделать их более стабильными".

Чтобы получить такой результат, исследователям пришлось, по сути, использовать небольшую конвекционную печь. Хотя с помощью волоконно-оптических устройств можно смоделировать лазер, проходящий через турбулентность, команда хотела воспроизвести реальную вещь на большом расстоянии. Но в то время как их сотрудники в Южной Африке разместились в двух отдельных зданиях, команда Duke была вынуждена сидеть за одним столом размером с столовую.

"Мы использовали небольшое устройство размером с тостер с конфоркой внизу и вентиляторами для создания турбулентности воздуха", - объяснил Данило Гомес Пирес, научный сотрудник, работающий в лаборатории Личиницера. "Затем мы уменьшили световой луч и отразили его от нескольких зеркал, чтобы имитировать его прохождение почти на 1000 футов".

Если бы лазерные лучи не нарушали своего движения, получившийся узел должен был бы выглядеть как одна непрерывная струящаяся нить с тремя петлями. Но вместо этого исследователи обнаружили, что по мере усиления турбулентности узел, скорее всего, распадался на два взаимосвязанных кольца или даже на одно кольцо, теряя любую содержащуюся в нем информацию.

Но они также обнаружили, что эта деградация не была неизбежной и что они могли бы сделать узел стабильным дольше. Добавив больше закорючек к его в остальном гладким элементам - например, построив сложную извилистую водную горку вместо простого извилистого аттракциона, - они создали больше контрольных точек для измерения в пределах заданной плоскости. [картинка в конце для иллюстрации]

Хотя технология завязывания оптических узлов все еще находится в зачаточном состоянии - они были открыты всего около двух десятилетий назад, - у нее есть несколько потенциальных применений. Информация могла быть закодирована в их формах и передаваться на большие расстояния. Измерение того, насколько сильно узел разрушается при его перемещении, также могло бы привести к способам измерения степени турбулентности, через которую он прошел. Исследователи также полагают, что хитросплетения образующихся узлов могут быть использованы для улавливания крошечных частиц в трехмерном пространстве и манипулирования ими.

"Прежде чем мы сможем на самом деле использовать оптические узлы для любого вида применения, мы должны по-настоящему изучить их и понять, как они ведут себя", - сказал Личиницер. "Это первая демонстрация распространения в условиях реальной турбулентности, поэтому отсюда мы можем сделать следующий шаг и расширить его, чтобы продолжить изучение того, как это работает в свободном пространстве".

Эта работа была поддержана Управлением военно-морских исследований (N00014-20-2558) и Исследовательским управлением армии (W911NF2310057).