Як уповільнити світло | Журнал Популярна Механіка
Всі знають, що світло переносить сигнали з максимально можливою в природі швидкістю, майже 300 000 км / с. Правда, в будь-прозорому середовищі світлові хвилі поширюються кілька повільніше (в 1,33 рази в воді, в 1,5-2 рази в склі і пластмасі, в 1,0003 рази в атмосферному повітрі).
Навіть в алмазі, який перевершує всі природні матеріали за величиною коефіцієнта заломлення, швидкість світла дорівнює 125 000 км / с. Вчені вважали, що знизити її ще більше навряд чи можливо. Однак за останні роки фізики змогли уповільнити світло ... аж до повної зупинки. У 1999 році гарвардські дослідники зробили світову сенсацію, повідомивши, що опромінення лазером майже непрозорого сверххолодного газу з атомів натрію в стані бозе-ейнштейнівського квантового конденсату змушує його пропускати світло зі швидкістю в 17 м / с.
До повної зупинки
Керівник експерименту Олені Вестергаарда Хау назвала це досягнення результатом на межі можливого, але незабаром пішла ще далі. У 2001 році її група на короткий час спочатку повністю заморозила світло всередині такого ж конденсату, а потім звільнила його для подальшого руху. Затримка склала лише одну мілісекунди, але через вісім років гарвардські фізики змогли затримати світло довше, ніж на секунду.
У цьому немає ніякої містики. У вакуумі світлові хвилі неможливо ні зупинити, ні навіть трішки сповільнити. Однак професор Хау і її колеги вимірювали швидкості мілісекунд лазерних спалахів, скомпонованих з монохроматичних хвиль різної частоти. При накладенні один на одного ці хвилі частково гасяться і частково посилюються, в результаті чого формується короткий світловий імпульс, або, як кажуть фізики, хвильової пакет. Якщо він рухається через вакуум, все його компоненти мають однакову фазову швидкість, яка є швидкість самого пакета. Однак всередині будь-якого середовища фазова швидкість залежить від частоти (відоме з шкільного курсу фізики явище дисперсії). У підсумку пакет переміщується зі своєю власною швидкістю (її називають груповий), яка зовсім не зобов'язана збігатися з фазовими швидкостями складових його хвиль. Бозе-ейнштейнівської конденсат належить до числа середовищ з дуже сильною дисперсією і тому може уповільнити світлові імпульси у багато мільйонів разів. Аналогічної здатністю володіють деякі менш екзотичні середовища, такі як гарячий атомний пар і оптичні волокна, допированного атомами ербію.
Заморожене світло може зберігати і переносити інформацію, що також довели Олені Хау і її співробітники. У 2007 році вони полонили лазерну спалах в бозе-ейнштейнівської конденсат, а потім перенесли його атоми в інший такий же конденсат. Коли його опромінили лазером і зробили оптично прозорим, він породив світловий сигнал - точну копію вихідного лазерного імпульсу.
нанофотоніка
Екзотичні середовища, що уповільнюють світло, хороші для лабораторних досліджень, однак якщо всерйоз вести розмову про світлових комп'ютерах, потрібно щось інше - компактне і працює при кімнатних температурах. Цим умовам задовольняють наноматеріали, структура яких характеризується періодичним зміною показника заломлення в просторових напрямах, тобто представляють собою тривимірні дифракційні решітки. Вони називаються фотонними кристалами (ФК). Показник заломлення ФК для будь-якої довжини хвилі визначається не матеріалом, з якого він зроблений, а залежить від параметрів наноструктури. Змінюючи ці параметри, можна, по аналогії з електронікою, отримати для світла ФК-провідники, ізолятори (відбивають світло) або навіть напівпровідники. Показник заломлення ФК може бути величезним - 100-1000 і вище, і в стільки ж разів можна уповільнити в ньому швидкість поширення світлових імпульсів.
Фантастика
Методи отримання повільного світла давно вже випробувані науковою фантастикою. Піонером у цій справі був американський класик Лайон Спрег де Камп. Професор Айра Метьюен, герой опублікованій в 1940 році новели The Exalted (в російській перекладі «Ведмідь в коледжі»), зміг за допомогою електромагнітного випромінювання (!) В квадрильйонів раз збільшити коефіцієнт заломлення стрижня з оптичного скла. Метьюен навіть був здатний протягом години збирати світлову енергію всередині стрижня і вивільняти її за малу частку секунди - це вже щось на зразок твердотільного лазера з оптичним накачуванням. Ще один приклад - удостоєний премії «Х'юго» розповідь Боба Шоу «Світло колишнього» (Light of Other Days, 1966), де «повільне скло» з ще більшим коефіцієнтом заломлення пропускає зображення, затримуючи їх у собі на довгі роки. На жаль, обидва автори не звернули уваги на те, що скло з настільки велетенським коефіцієнтом заломлення було б абсолютно непрозорим, оскільки практично повністю відображало б падаючий світло. Фантастам не пощастило і зі зниженням цього коефіцієнта. Людина-невидимка Уеллса після зникнення заломлюючої здатності тканин свого організму - і, отже, кришталиків обох очей! - просто б осліп.
У 2005 році вчені з Дослідницького центру IBM ім. Уотсона запропонували спосіб керувати показником заломлення ФК, сповільнюючи або прискорюючи проходження світлових імпульсів «на вимогу». Їх система являє собою кремнієвий фотонно-кристалічний хвилевід, в якому групова швидкість поширення світлового імпульсу більш ніж в 300 разів менше швидкості світла у вакуумі. Якщо ж за допомогою бічних електродів пропустити електричний струм через ФК, він нагрівається і змінює свої параметри, тим самим змінюючи швидкість проходження імпульсу.
…І не тільки
Фантастика фантастикою, але методи уповільнення світла становлять безсумнівний інтерес для фотоніки. Вони створюють нову можливість маніпулювання світловими імпульсами з великим спектром практичних застосувань. Припустимо, що на вентиль оптоволоконної системи одночасно надходить пара світлових сигналів з многобітной інформацією. Щоб вони не заважали один одному, один сигнал можна затримати на вході за допомогою светозамедляющего пристрої (що цілком можливо вже зараз). Цілком ймовірно, такі пристрої стануть застосовувати для зберігання та вилучення інформації, зокрема, в оптичних комп'ютерах. Цим способом можна резервувати навіть сплутані фотони, що в 2008 році експериментально показали фізики з Калтеха. Не виключено, що всі ці «результати на межі можливого» - перший крок до інформаційних технологій недалекого майбутнього.
Стаття «Повільний світло» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №12, Листопад 2012 ).