Как приготовить пули из медленного света

Теоретический расчет распространения светового сгустка сквозь метаматериал без подавления (левая колонка) и с подавлением (правая колонка) дифракции и продольного расплывания. Изображение из обсуждаемой статьи в Physical Review Letters

Теоретические расчеты показали, что можно создать метаматериал, поддерживающий распространение световых пуль — локализованных, нерасплывающихся и легко управляемых сгустков света.

Оптика — один из старейших разделов физики — переживает в наши дни настоящее возрождение. Классикам этой науки и не снилось то, что современная физика умудряется делать со световым лучом. Скорость света меняется при переходе из одной прозрачной среды в другую, но это изменение очень невелико — максимум в два с половиной раза для природных материалов. Однако за последние годы физики научились изготавливать материалы со столь экзотическими оптическими свойствами, что им уже не составляет труда замедлить в них свет в триллионы раз, вообще остановить и «подержать» некоторое время световой импульс или, наоборот, заставить его распространяться с групповой скоростью, превышающей скорость света — правда, только внутри кюветы с активной средой. (Это, конечно, ни в коей мере не нарушает постулаты теории относительности, поскольку и энергия, и информация в этом случае всё равно передаются со скоростью меньше скорости света; см. заметку Поосторожнее со сверхсветовыми скоростями!) Появились среды, преломляющие свет наоборот, изготовлены суперлинзы, не уважающие дифракционный предел, публикуются даже работы, описывающие принцип создания плаща-невидимки. Воистину, современная физика может осуществить практически любую «оптическую фантазию»!

В недавней статье Andrey A. Sukhorukov and Yuri S. Kivshar, Physical Review Letters, 97, 233901 (4 December 2006), доступной также как physics/0605194, сделан еще один вклад в эту «копилку чудес». В статье описывается, как создать «пули из медленного света». Несмотря на то, что это теоретическая работа, авторы утверждают, что экспериментальная реализация этой идеи вполне возможна уже при сегодняшних технологиях.

Авторы работы изучили распространение электромагнитной волны через сложную, но регулярную сеть связанных друг с другом микроскопических волноводов. Такие искусственные периодические среды называются метаматериалами. Они не только поддерживают проходящие сквозь них электромагнитные волны, но и при достаточно хитроумной конструкции могут придать им совершенно необычные черты (см. популярную статью Лабиринты фотонных кристаллов).

Та конкретная среда, которую описали авторы этой работы, обладает замечательным свойством: она подавляет дифракцию. Это значит, что узкий луч света, войдя в такую среду, будет распространяться прямо, не «расплываясь» в стороны. Благодаря своему устройству, метасреда фактически сама фокусирует проходящий через нее свет.

Вторым важным свойством описанного метаматериала была его способность сдерживать также и продольное расплывание локализованного светового импульса. Задача эта нетривиальная. Дело в том, что, в отличие от обычных прозрачных сред, скорость распространения света в метаматериалах обычно сильно зависит от его частоты, из-за чего локализованный в продольном направлении световой сгусток быстро расплывается. Преодолеть это расплывание удалось, подобрав метасреду со специальной встроенной нелинейностью. (Нелинейная среда не просто является «вместилищем» для волн, но и сама активно влияет на них, причем влияет по-разному на начало, центр и хвост импульса.)

Наконец в-третьих, принципиально важным было то, что контролировать продольное и поперечное расплывание световых сгустков можно независимо друг от друга. Более того, в дополнение ко всему этому можно без ущерба для локализации сгустка изменять его скорость, вплоть до его полной остановки!

Всё это вместе и позволило физикам найти такие решения уравнений, которые отвечают световым сгусткам, медленно перемещающимся сквозь среду практически без потери локализации (см. рисунок). Эти сгустки авторы и окрестили столь будоражащим воображение термином «медленные световые пули» (на рафинированном научном языке это всего лишь оптические солитоны в нелинейной метасреде).

Чтобы не сложилось ложного представления, подчеркнем, что слова «световой сгусток» вовсе не подразумевают какой-то светящийся во все стороны объект. Свет внутри световой пули распространяется только вперед, и потому при взгляде сбоку ее не заметить. «Увидит» световую пулю только мишень, для которой она и предназначается.

Надо отметить, что световые пули выгодно отличаются от обычных движущихся сгустков вещества своей безынерционностью. Ничего не стоит, например, управлять траекторией такой пули, плавно изменяя свойства среды, или резко преломить ее при переходе из одной среды в другую. Авторы надеются, что предложенная ими идея будет вскоре реализована в эксперименте, а затем найдет применение в оптических устройствах самого разного профиля: от оптических компьютеров, в которых свет переносит информацию, и до физических приборов, в которых сгустки света используются как средство воздействия на исследуемый объект.

Игорь Иванов

Последние новости: Физика, Игорь Иванов

10 августа Графан может оказаться высокотемпературным сверхпроводником

2 августа Создана четырехмерная электронная томография

20 июля Синтезировано третье соединение с графеном — флюорографен

23 июня Конденсировать водяной пар в атмосфере можно с помощью лазера

10 июня Экспериментальное подтверждение сверхпроводимости полуторного рода откладывается

31 мая Детектор CMS зарегистрировал квантовые корреляции пи-мезонов

20 мая Выяснено магнитное упорядочение оранжевого кислорода

19 апреля Создан сверхпроводник, состоящий всего из 8 молекул вещества

7 апреля В углеродной нанотрубке обнаружен необычный термоэлектрический эффект

1 апреля Человечеству могут грозить квантовые болезни

Астрономические наблюдения недели

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):