Учёные создали оптические системы, имитирующие червоточины и параллельные реальности

Концепция фотонных параллельных пространств и многофункциональных возможностей. Автор: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-63981-3

Исследователи использовали нелокальные искусственные материалы для создания оптических систем, которые имитируют параллельные пространства, червоточины и множественные реальности. Один материал действует как две различные оптические среды или устройства одновременно, позволяя свету испытывать различные свойства в зависимости от точек входа. Демонстрации включают невидимые оптические туннели и сосуществующие оптические устройства, открывая новые возможности для компактных многофункциональных оптических устройств за счёт введения нелокальности как новой степени свободы для управления светом.

Что если одно пространство могло бы одновременно содержать два разных объекта в зависимости от того, как фотоны попадают в это пространство? Учёные воплотили в жизнь эту научно-фантастическую концепцию, создав оптические системы, имитирующие экзотические явления параллельных вселенных и червоточин.

В исследовании, опубликованном в Nature Communications, исследователи из Китая использовали нелокальные искусственные материалы для разработки «фотонных параллельных пространств».

Манипулируя сдвинутыми дисперсионными соотношениями в импульсном пространстве, им удалось создать материал, который ведёт себя как две различные оптические среды или устройства одновременно.

Свет, входящий с одной границы, испытывает один набор оптических свойств, в то время как свет, входящий в пространство с другой границы, сталкивается с совершенно другим набором свойств, без какого-либо вмешательства между ними. Это напоминает волшебный гардероб из «Хроник Нарнии», где разные двери ведут к отдельным мирам, расположенным в одном и том же месте (за дверью).

«Этот подход позволяет нам имитировать явления высших измерений в фотонной лаборатории», — сказал профессор школы физики Нанкинского университета Юнь Лай. «Это похоже на размещение двух оптических реальностей в одном материале, открывая дорогу к компактным многофункциональным устройствам, которые ранее были немыслимы».

Команда продемонстрировала два замечательных явления. Во-первых, в микроволновых экспериментах исследователи разработали удлинённый нелокальный искусственный материал, действующий как фотонная «червоточина», то есть невидимые оптические туннели.

Когда гауссов пучок входит с короткой стороны, он ограничивается в материале и передаётся так, как если бы проходил через волновод с нулевым показателем преломления. Когда пучок падает на длинную сторону, материал демонстрирует почти нулевое отражение из-за всенаправленного согласования импеданса в параллельном фотонном пространстве, делая его фактически невидимым для внешнего света.

Во-вторых, они достигли «фотонных множественных реальностей», где один и тот же материал имитирует произвольные оптические объекты или устройства в зависимости от границы входа.

В одном примере материал рассеивает свет как объект в форме лодки для света с одной границы, но ведёт себя как рассеиватель в форме дерева для света с другой. В другом примере он одновременно функционирует как выпуклая линза и вогнутая линза, работая независимо, как если бы две линзы находились в отдельных измерениях.

«Мы не строим настоящие червоточины или мультивселенные, но мы делаем эти концепции практичными для инженерии», — отметил исследователь. «Это может революционизировать ряд областей, от высокоинтегрированных фотонных чипов и компактных оптических систем до фотонной обработки информации, за счёт использования нелокальности как новой степени свободы».

Этот прорыв может преобразовать интегральную фотонику, позволяя создавать более плотные оптические устройства без перекрёстных помех и сосуществующие множественные функции в одном и том же пространстве.

Имитируя физику высоких измерений, эта работа открывает путь к многофункциональным устройствам, которые преодолевают свои размерные ограничения, предвещая новую эру для фотоники и не только.

Больше информации: Tongtong Song et al, Nonlocality-enabled photonic analogies of parallel spaces, wormholes and multiple realities, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-63981-3

Источник: Nanjing University